СПОСОБ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ УТИЛИЗАЦИОННОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ Российский патент 2023 года по МПК F02C6/18 F02C3/28 

Изобретение относится к области транспорта газа и может быть применено на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами (ГПА). Для компрессорных станции характерны высокие эксплуатационные затраты, связанные с высокой стоимостью электроэнергии, поставляемой из внешних высоковольтных электрических сетей, а так же снижение мощности и экономичности газотурбинных газоперекачивающих агрегатов при их работе при повышенных температурах атмосферного воздуха.

Известна утилизационная энергетическая газотурбинная установка (УГТУ) работающая по циклу Брайтона, вырабатывающая электроэнергию для электроснабжения собственных нужд компрессорной станции. (Р.З. Тумашев, С.С. Михеев, Б.А. Куникеев. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. «Машиностроение», 2016, №1, С. 44-53,). Вход компрессора связан с атмосферой, а его выход связан через регенеративный воздухоподогреватель с входом воздушной турбины. Теплоту продуктов сгорания, расширенных в силовой газовой турбине приводного ГПА, используют для нагрева в регенеративном воздухоподогревателе атмосферного воздуха сжатого в компрессоре. Полезную работу воздушной турбины используют для приводов компрессора и электрогенератора вырабатывающего электроэнергию.

Недостатком установки способа являются небольшая электрическая мощность и низкая тепловая экономичность УГТУ.

Известна субатмосферная газотурбинная установка, работающей по обратному циклу Брайтона с регенерацией теплоты газовой турбины в аппарате М-цикла. (А.А. Халатов, С.Д. Северин, П.И. Бродецкий, B.C. Майсоценко «Субатмосферный обратный цикл Брайтона с регенерацией выходной теплоты по циклу Майсоценко»), Аппарат М-цикла содержит «сухой» и «влажный» воздушные каналы, разделенные металлической стенкой, покрытой со стороны «влажного» канала гидрофильным слоем смачиваемым водой. За счет испарения воды из него воды воздух увлажняется и охлаждается до точки росы, с использованием энергии окружающей среды в форме психрометрической разности температур. Поток влажного воздуха расширяют в воздушной турбине до давления ниже атмосферного, охлаждают в воздухоохладителе с полной конденсацией влаги. Сухой воздух сжимают в компрессоре установки и сбрасывают в атмосферу. Преимуществом субатмосферной газотурбинной установки является повышение КПД газотурбинной установки по сравнению с установкой работающей по прямому циклу Брайтона.

Недостатком является то, что установка не используется на компрессорных станциях для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода (патент РФ №2744139), состоящая из приводной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный воздухоподогреватель, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины и субатмосферной утилизационной энергетической установки, содержащей воздушную турбину, компрессор, электрогенератор; причем в ней применены аппарат М-цикла, воздухоохладитель-конденсатор; аппарат М-цикла имеет «сухой» и «влажный» воздушный каналы, разделенные металлической стенкой, поверхность которой со стороны «влажного» воздушного канала покрыта инфильтрационным слоем, смачиваемым водой; входы «сухого» и «влажного» каналов связаны с атмосферой, выход «сухого» канала связан с входом компрессора приводной газотурбинной установки; выход «влажного» воздушного канала связан воздуховодом влажного воздуха с входом регенеративного воздухоподогревателя, его выход связан с входом турбины субатмосферной утилизационной энергетической установки, выход которой через теплообменную поверхность воздухоохладителя-конденсатора и компрессор сухого воздуха связан с атмосферой; корпус воздухоохладителя-конденсатора соединен с трубопроводом отвода конденсата пара. Положительными качествами комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установка при ее работе в летний период, при температурах атмосферного воздуха выше 10°С, является повышение тепловой экономичности приводной газотурбинной установки, электрической мощности и тепловой экономичности субатмосферной утилизационной энергетической установки с использованием в аппарате М-цикла энергии атмосферы и психрометрической разности температур влажного воздуха и сухого атмосферного воздуха.

Недостатком этой установки, принятой в качестве прототипа изобретения, является то, что установка не может эксплуатироваться при отрицательных температурах наружного воздуха из-за невозможности подачи воды и ее испарения из инфильтрационного слоя.

Задачей технического решения является разработка способа работы комбинированной утилизационной газотурбинной установки компрессорной станции магистральных газопроводов, который обеспечивает повышение экономичности приводной газотурбинной установки и выработку дешевой электроэнергии для собственных нужд компрессорных станций как в летний, так и в зимний периоды года.

Поставленная задача достигается за счет того, что предлагаемый способ работы комбинированной утилизационной газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистральных газопроводов с субатмосферной энергетической газотурбинной установкой осуществляют в два этапа. Первый этап относится к периоду года при температурах воздуха выше 10°С. В гидрофильную поверхность аппарата М-цикла, установленного перед компрессором приводной газотурбинной установки подают воду. За счет ее испарения во «влажном» канале, увлажняется второй поток воздуха, соответственно, снижается температура разделительной металлической стенки, в «сухом» канале охлаждается первый поток в атмосферного воздуха. Первый поток воздуха, охлажденный при контакте с металлической стенкой, подают в компрессор приводной газотурбинной установки, что позволяет значительно снизить затрату энергии на привод компрессора и повысить КПД приводной газотурбинной установки. Второй поток, увлажненный во «влажном» канале, подают в поверхность теплообмена регенеративного воздухоподогревателя, где повышают его температуру и энтальпию за счет тепла продуктов сгорания вышедших из силовой газовой турбины приводной газотурбинной установки. Нагретый влажный воздух с повышенной энтальпией, расширяют в воздушной турбине субатмосферной энергетической установки до давления ниже атмосферного. Затем расширенный влажный воздух охлаждают в теплообменной поверхности воздухоохладителя и конденсируют его паровую составляющую. Сухой воздух сжимают в компрессоре и сбрасывают в атмосферу. Полезную работу воздушной турбины используют для привода компрессора и электрогенератора, выработанную им электроэнергию используют для электроснабжения собственных нужд КС.

Второй этап способа реализуют при работе установки при температурах атмосферного воздуха ниже 10°С. При этом прекращают подачу воды на гидрофильную поверхность аппарата М-цикла. В холодный атмосферный воздух впрыскивают воду, увеличивая его влажность и энтальпию. Этот влажный воздух подают в поверхность теплообмена регенеративного воздухоподогревателя, нагревают теплом продуктов сгорания силовой газовой турбины, и расширяют в воздушной турбине. Расширенный в ней влажный подают в теплообменную поверхность воздухоохладителя-конденсатора, охлаждают водой, конденсируют пар содержащийся во влажном воздухе. Сухой воздух сжимают в компрессоре и сбрасывают в атмосферу. Полезную работу электрогенератора используют для выработки электроэнергии.

На фиг. 1 изображена тепловая схема комбинированной утилизационной газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата работающей по предлагаемому способу изобретения. Здесь: 1 - компрессор приводной газотурбинной установки, 2 - камера сгорания, 3 - силовая газовая турбина, 4 - нагнетатель, 5 - «сухой» канал аппарата М-цикла, 6 - «влажный» канал аппарата М-цикла, 7 - регенеративный воздухоподогреватель, 8 - воздушная турбина, 9 - компрессор субатмосферной энергетической установки, 10 - электрогенератор, 11 - воздухоохладитель-конденсатор, 12 - трубопровод воздуха, 13 - химводоочистка, 14 - трубопровод холодной воды, 15 - трубопровод неиспарившейся воды, 16 - регулирующая задвижка подачи воды в гидрофильную поверхность, 17 - регулирующая задвижка впрыска волы.

Согласно изобретению, способ работы комбинированной утилизационной газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата компрессорной станции осуществляют в два этапа. В летний период года при температурах воздуха выше 10°С, установка работает по первому этапу способа. Атмосферный воздух подают на вход «сухого» канала аппарата М-цикла 5 и «влажного» канала аппарата М-цикла 6 каналами. В гидрофильную поверхность, покрывающую металлическую стенку со стороны «влажного» 6 канала, подают воду из химводоочистки 13, при открытой регулирующей задвижке 16. За счет ее испарения воздухом в этом канале, охлаждают металлическую стенку и охлаждают до точки росы воздух в «сухом» канале 5. Воздух, охлажденный в «сухом» канале 5, подают в компрессор приводной газотурбинной установки 1, сжимают и подают в камеру сгорания 2, где сжигают топливо. Продукты сгорания расширяют в силовой газовой турбине 3, приводящей нагнетатель 4 и подают в регенеративный воздухоподогреватель 7. Увлажненный воздух с повышенной энтальпией, подают из «влажного» 6 канала по трубопроводу воздуха 12, в теплообменную поверхность регенеративного воздухоподогревателя 7, где его нагревают теплом уходящих газов силовой газовой турбины 3. Нагретый в регенеративном воздухоподогревателе 7 влажный воздух расширяют в воздушной турбине 8, используя ее полезную работу для привода компрессора 9 и электрогенератора 10, вырабатывающего электрическую энергию. Влажный воздух, расширенный в воздушной турбине 8, охлаждают в теплообменной поверхности воздухоохладителя-конденсатора 11 холодной водой, подаваемой по трубопроводу трубопровод холодной воды 14 и конденсируют пар, содержащийся в этом воздухе. Конденсат пара отводят в атмосферу. Сухой охлажденный воздух подают в компрессор 9 и сжимают до атмосферного давления.

При температурах атмосферного воздуха ниже 10°С, комбинированная утилизационная газотурбинная установка работает по второму этапу способа. Закрывают регулирующую задвижку 16 и прекращают подачу воды в гидрофильную поверхность аппарата М-цикла. Атмосферный воздух из первого канала подают в компрессор приводной газотурбинной установки 1, где его сжимают, подают в камеру сгорания 2, где сжигают топливо. Продукты сгорания расширяют в силовой газовой турбине 3, приводящей нагнетатель 4, и подают их в регенеративный воздухоподогреватель 7. В атмосферный воздух, вышедший из второго канала аппарата М-цикла, впрыскивают воду из химводоочистки 13 при открытой регулирующей задвижке 17, полученный влажный воздух подают в регенеративный воздухоподогреватель 7, где его нагревают теплом продуктов сгорания приводной газовой турбины. Затем, также как и в первом этапе способа, этот воздух расширяют в воздушной турбине 8, охлаждают в теплообменной поверхности воздухоохладителя-конденсатора 11 холодной водой, подаваемой по трубопроводу 14, и конденсируют содержащийся в нем пар. Конденсат отводят в атмосферу. Полезную работу воздушной турбины 8 используют для привода компрессора 9 и электрогенератора 10 вырабатывающего электрическую энергию.

Работа комбинированной утилизационной газотурбинной установки по первому этапу предлагаемого способа, позволяет при температурах атмосферного воздуха, превышающих 10°С, увлажнять во «влажном» канале аппарата М-цикла второй поток атмосферного воздуха до точки росы, повышать его влажность и энтальпию, увеличивать степень регенерации регенеративного воздухоподогревателя и повышать тепловую экономичность субатмосферной энергетической установки и выработку электроэнергии. Охлаждение до точки росы первого потока воздуха в «сухом» канале позволяет уменьшить работу сжатия в компрессоре приводной газотурбинной установки и повысить тепловую экономичность приводной газотурбинной установки.

При температурах воздуха ниже 10°С распыление воды в атмосферном воздухе, поступающем в регенеративный воздухоподогреватель, позволяет повысить электрическую мощность и тепловую экономичность субатмосферной газотурбинной энергетической установки.

Способ работы комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установка компрессорной станции магистрального газопровода осуществляют в два этапа. При температурах воздуха выше 10°С установка работает по первому этапу способа, при этом в гидрофильный слой подают воду, за счет ее испарения, во «влажном» канале увлажняют воздух, охлаждают металлическую стенку и охлаждают до точки росы воздух в «сухом» канале, который подают в компрессор приводной газотурбинной установки. Теплом продуктов сгорания газовой турбины в регенеративном воздухоподогревателе нагревают воздух из «влажного» канала, расширяют в воздушной турбине, ее полезную работу используют для привода компрессора и электрогенератора субатмосферной энергетической установки, вырабатывающего электрическую энергию. При температурах воздуха ниже 10°С установка работает по второму этапу способа. Прекращают подачу воды в гидрофильную поверхность аппарата М-цикла, воздух из первого канала аппарата подают в компрессор приводной газотурбинной установки. В атмосферный воздух, вышедший из второго канала аппарата, впрыскивают воду из химводоочистки, в регенеративном воздухоподогревателе теплом расширенных продуктов сгорания приводной газотурбинной установки нагревают влажный воздух, расширяют в воздушной турбине субатмосферной энергетической установки, охлаждают водой в воздухоохладителе-конденсаторе, конденсируют содержащийся в нем пар, полезную работу воздушной турбины используют для привода компрессора и электрогенератора, вырабатывающего электрическую энергию. 1 ил.

Способ работы комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки компрессорной станции магистрального газопровода, состоящей из приводной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, нагнетатель, регенеративный воздухоподогреватель, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины, и субатмосферной утилизационной энергетической установки, содержащей аппарат М-цикла с двумя «сухим» и «влажным» воздушными каналами, разделенными металлической стенкой покрытой гидрофильным слоем со стороны «влажного» канала, воздушную турбину, воздухоохладитель-конденсатор; отличающийся тем, что способ осуществляют в два этапа: при температурах воздуха выше 10°С реализуют первый этап способа, при этом в гидрофильный слой подают воду, за счет ее испарения увлажняют воздух во «влажном» канале, охлаждают металлическую стенку и охлаждают до точки росы воздух в «сухом» канале, его подают в компрессор приводной газотурбинной установки, сжимают, в камере сгорания сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в силовой газовой турбине приводящей нагнетатель, тепло продуктов сгорания используют в регенеративном воздухоподогревателе для нагрева воздуха, вышедшего из «влажного» канала, который затем расширяют в воздушной турбине, используя ее полезную работу для привода компрессора и электрогенератора субатмосферной энергетической установки, вырабатывающего электрическую энергию; а при температурах воздуха ниже 10°С установка работает по второму этапу способа, при этом прекращают подачу воды в гидрофильную поверхность аппарата М-цикла, так же, как и в первом этапе способа, воздух из первого канала сжимают в компрессоре приводной газотурбинной установки, в камере сгорания сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в силовой газовой турбине и подают их в регенеративный воздухоподогреватель; в атмосферный воздух, вышедший из второго канала аппарата М-цикла, впрыскивают воду из химводоочистки, в регенеративном воздухоподогревателе теплом продуктов сгорания нагревают влажный воздух, расширяют в воздушной турбине, охлаждают в воздухоохладителе-конденсаторе, конденсируя содержащийся в нем пар, конденсат отводят в атмосферу, полезную работу воздушной турбины используют для привода компрессора и электрогенератора субатмосферной энергетической установки, который вырабатывает электрическую энергию.