Способ резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами и система для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых энергоустановках для выработки электроэнергии при использовании в качестве топлива природного газа,

Цель изобретения - повышение экономичности.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом,

Давление природного газа на выходе из магистрального газопровода, питающего тепловую электростанцию с газовыми котлоагрегатами, понижают, после чего природный газ смешивают с воздухом и направляют на сжигание в котлоагрегат. Теплоту сгорания природного газа подводят к воде, предварительно сжатой до высокого давления, в результате чего последняя переходит в состояние в электрическую энергию

при понижении давления. Пар низкого давления конденсируют, после чего образующуюся воду сжимают до высокого давления и направляют вновь на испарение в котлоагрегат.

В период времени когда в магистральном газопроводе избыток газа, т.к. потребляемый суммарный расход топлива ниже количества газа передаваемого газовой магистралью или часть потребителей вообще отключена и не потребляет вданный момент времени энергии - так называемый провал графика нагрузки энергопотребления, проводят резервирование природного газа переводом его в гидратное состояние, образуя суспензию состоящую из воды и газовых гидратов, которую хранят в хранилище природного газа. В период времени когда включается большое количество потребителей и

оо сь

00

XI ь.

РЗСПСЫ.ЗГЙЗМЫЙ расход топлива в магистральном газопроводе снижается ниже требуемого уровня или отсутствует вообще, так называемый период пика электрической нагрузки, емкость хранилища зарезервированного газа, заполненную гидратами, соединяют с подачей газа в котлоагрегат, гидраты газа разлагают на воду, которая превращается в лед в результате отвода теплоты разложения гидратов, и газ, который подают в котлоагрегат, тем самым компенсируя недостаток газа в магистральном газопроводе. По завершении пика электрической нагрузки проводят обычный цикл выработки энергии до очередного момента возможности резервирования природного газа, когда избыток природного газа направляют в места хранения зарезервированного газа, где контактируют с льдоводяной суспензией, образованной при предыдущем процессе разложения гидратов газа, компенсируя тепло гидратооб- разования за счет теплоты плавления льда, которые хранят в хранилище зарезервированного природного газа до очередного пи- ка электрической нагрузки при недостаточной расходе газа в магистральном газопроводе, когда необходимо будет осуществлять подпитку котлоагрегата зарезервированным газом, как описано выше. 8 емкостях хранилища образуется меньшая масса гидратов по сравнению с массой гидратов хранящихся в них, из-за плавления части льда в результате покрытия теплопри- токов из окружающей среды, а также тепло- потерь вследствие необратимости процессов образования и разложения гидратов, образования и плавления льда, т.е. процесс гидратообразовэния в емкостях хранилища проходит, практически, до тех пор, пока в суспензии существует лед, теплота плавления которого компенсирует теп- лоту гидратообразования. Часть резервируемого газа переводимого в гидраты в емкостях хранилища определяют по зависимости

тгг

(1 - К) AfHA-l g + 1) - IJ-Cpe-AT

„---------ZL ----------

i

где К - коэффициент, учитывающий потери тепла в результате теплопритоков и необра-. тимостей процессов в емкости хранилища: ДН - теплота образования гидратов природного газа, кДж/кг газа;

А - удельная масса гидрата, кг гидр./кг газа;

Ч - объемная доля воды в гидратной суспензии в местах хранения зарезервированного газа;

РВ , рг плотности воды и шдрата соответственно, кг/м3;

Cpfl - удельная теплоемкость воды, кДж/кг град;

ЛТ - разность температур между равновесной температурой хранения газа и температурой образования гидратов, град.

При разложении всей массы льда в емкостях хранилища их дозаполняют гидратами, образованными в зоне гидратообразования вне хранилища газа, в

которой газ из магистрального газопровода контактируют с водой с образованием гидратов и отводом теплоты гидратообразования в окружающую среду. Зарезервированный газ хранят в емкостях

хранилища до очередного пика электрической нагрузки, когда будет необходимость в подпитке котлоагрегата зарезервированным газом, которую осуществят как описано выше.

На чертеже схематически представлена система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагретэтами реализующая заявляемый способ.

Система содержит магистральный газопровод 1, котлоагрегат 2 для сжигания газа и производства водяного пара, паровую и газовую турбины 3 и 4 преобразующие с помощью энергогенераторов 5 и 6 потенциальную энергию сжатых пара и газа в электроэнергию, конденсатор 7 для отвода теплоты конденсации водяного пара в окружающую среду, соединенный через насос питающей воды 8, подающий воду из конденсатора 1 в котлоагрегат 2, насос циркуляционной воды 9, насос контура градирни 10 соединенный с градирней 11, холодильную машину 12 для отвода теплоты гидратообразования газа, проводимого в

кристаллизаторе 13, накопитель воды 14, редуцирующее устройство 15 установленное на магистральном газопроводе 1 перед подачей газа в котлоагрегат 2. и понижающее давление газа от давления в магистральном газопроводе до давления на входе в котлоагрегат, хранилище природного газа 16. Холодильная машина 12 состоит из теплообменника 17 для подогрева воды перед подачей в котлоагрегат за счет снятия перегрева холодильного агента, соединенного по воде со входом в насос5, а по холодильному агенту через конденсатор 18 с теплообменником 19, который вместе с теплообменником 20 встроен в кристалли

затор 13 и оба они предназначены для отвода теплоты гидратообразования газа, при этом выход из теплообменника 20 соединен со входом в теплообменник 21, выход из которого соединен с подачей газа в котлоаг- регат 2 после редуцирующего устройства 15. Хранилище 16 состоит из нескольких емкостей (для примера рассмотрены две - 22 и 23), которые скоммутированы между собой трубопроводами с вентилями 24,25,26,27,28,29,30,31 и соединены через вентиль 32 - с выходом из кристаллизатора

13. вентиль 33 - со входом в циркуляционный насос 9, вентиль 34 - с накопитель воды

14. вентиль 35 - со входом в турбину 4, вентиль 36 - со входом в котлоагрегат 2, который имеет трубопровод 37 вывода продуктов сгорания. Выход из турбины 4 через теплообменник 38, вмонтированный в накопитель воды 14, соединен с подачей газа в котлоагрегат 2 после редуцирующего устройства 15, а магистральный газопровод до редуцирующего устройства 15 через вентиль 39 и теплообменник 21 соединен со входом в кристаллизатор 13. Насос 9 соединён с накопителем воды 14 трубопроводом с вентилем 40, а с кристаллизатором 13 трубопроводом 41, при этом трубопровод с вентилем 33 подсоединен к всасывающей стороне насоса 9 между вентилем 40 и насосом 9. Магистральный трубопровод 1 до редуцирующего устройства 15 через вентиль 42 соединен с холодильной машиной 12, а трубопроводом 43 через вентили 28 и 29 с емкостями 22 и 23 хранилища 16. В разрыв трубопровода между конденсатором 18 и теплообменником 19 установлен регулирующий вентиль 44.

Система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами работает следующим образом (для примера рассмотрена работа электростанции на природном газе, состоящем из 71,59% метана, 10,89% этана и 17,43% пропана),

В период провала электрической нагрузки в магистральном газопроводе 1 существует избыток природного газа, при

этом осуществляют резервирование последнего путем подачи его по трубопроводу с вентилем 39 при давлении 2 МПа через теплообменник 21 в кристаллизатор 13, где контактируют с водой подаваемой из накопителя 14 через вентиль 40 насосом циркуляционной воды 9 через трубопровод 41 (вентиль 33 закрыт), и при температуре

278...279К образуют газовые гидраты природного газа с отводом теплоты охлаждения и гидратообразования хладоагентом, кипящим в теплообменнике 19, расположенном

в зоне образования гидратов в кристаллизаторе 13. Пары холодильного агента сжимают компрессором холодильной машины 12 и направляют вначале в теплообменник 17, в 5 котором отводят теплоту перегрева, нагревая часть воды сжимаемой насосом 8, при Г этом температура паров хладоагента понижается до 304К, а затем пары направляют в конденсатор 18, где конденсируют, сбра0 сывая теплоту кбнденсации в окружающую среду, после чего сконденсировавшийся агент дросселируют через регулирующий вентиль 44 и направляют вновь в теплообменник 19. На привод холодильной машины

5 12 через вентиль 42 направляют часть природного газа в газовую турбину, на выходе из которой газ имеет давление соответству-. ющее давлению газа подаваемого совместно ; с воздухом в котлоагрегат на сжигание.

0 Охлажденный при расширении в турбине газ направляют в теплообменник 20, встроенный в кристаллизатор 13, для отвода теплоты кристаллизации гидратов (зарождения кристаллов) после чего производят довыра5 щивание кристаллов, отводя теплоту гидра- тообразования теплообменником 19. Суспензию (смесь гидратов и воды) из кристаллизатора 13 через вентили 32 и 26 направляют в одну из емкостей, например 22,

0 в которой проводят частичное осушение суспензии вследствие отделения кристаллов от воды, циркулирующей через вентили 24 и 34 в накопитель воды 14, откуда через вентиль 40 насосом 9 через трубопровод 41

5 вновь в кристаллизатор 13 на образование гидратов. После заполнения емкости 22 закрывают вентили 26 и 24 открывают вентили 27 и 25 и аналогично проводят заполнение гидратами емкости 23. Из теплообменника

0 20 газ направляют через теплообменник 21, в котором он нагревается до температуры на 5..,8 градусов ниже температуры газа в магистральном газопроводе, в магистральный газопровод после редуцирующего уст5 ройства 15, после чего газ направляют в котлоагрегат на сжигание, продукты сгорания выводят через трубопровод 37, а теплоту сгорания используют для парообразования сжатой насосом 8 воды,

0 пар которой подают в турбину 3 для выработки электроэнергии в электрогенераторе 5. Водяной пар после турбины 3 подают в конденсатор. 7, где он конденсируется за счет отвода тепла в окружающую среду с

5 помощью воды циркулирующей насосом 10 через градирню 11. Из конденсатора 7 вода насосом 8 рециркулирует вновь в котлоагрегат 2 на образование пара. В период пика электрической нагрузки, либо, при нехватке газа в магистральном газопроводе, проводят подпитку установки зарезервированным газом из емкостей хранилища. Для этого, например, открывают вентиля 31 и 36 сообщая емкость 23 с подачей газа в котло- агрегат 2. Так как давление в емкости 23 понижается до давления 600 кПа, что ниже равновесного давления существования гидратов, то последние начинают разлагаться на воду и газ. Газ подают в котлоагрегат 2 через вентиль 36 (либо, если давление газа значительно выше давления в котлоагрегате, например, для работы на метане это давление составит 2000 кПа, то газ подают в котлоагрегат 2 не через вентиль 36, а через вентиль 35, газовую турбину 4, при этом попутно вырабатывая дополнительное количество энергии в электрогенераторе 6, после чего через теплообменник 38, в котором газ нагревают за счет бесконтактного подогрева водой в накопителе 14, направляют в котлоагрегат 2). Для разложения гидратов необходимо подводить тепло, поэтому температура суспензии в емкости 23 понижается, достигает криоскопической температуры воды, после чего происходит образование льда, теплота льдообразования расходуется на разложение гидратов. После разложения всей массы гидратов в емкости 23, закрывают вентиль 31, открывают вентиль 30 и аналогично проводят разложение гидратов в емкости 22, используя газ, полученный в результате разложения гидратов, для подпитки котлоагре- гата 2, а затем и в остальных емкостях, которые для простоты на чертеже не показаны.

По завершении пика электрической нагрузки (подпитки системы зарезервирован- ным газом) продолжается работа электростанции в оптимальном режиме, без резервирования и использования зарезервированного газа.

При очередном периоде провала электрической нагрузки и наличии в магистральном газопроводе 1 избытка природного газа вновь осуществляют резервирование последнего, для чего резервируемый природный газ подают под давлением 2 мПа через трубопровод 43 в одну из емкостей хранилища 16, например, через вентиль 28 в емкость 22. При контактировании газа с льдоводяной суспензией, имеющей температуру 273К происходит образование гидратов из воды и газа и плавление кристаллов льда. Теплота, плавления льда расходуется на отвод теплоты гйдратообразования природного газа. При расплавлении всей массы льда в емкости 22 процесс гйдратообразования в ней прекращается, а температура суспензии, состоящей из воды и гидратов, повышается и стремится к равновесной температуре существования гидратов при давлении 2 мПа, которая составляет 279...280К. В.этотперирд закрывают вентиль 28 и открывают вентиль 29, аналогично образуют гидраты в очередной емкости хранилища, например, 23. Так как в емкости 22 образовали меньше гидратов, по сравнению с тем количеством,

0 которое обычно хранится в них, что обусловлено теплопотерями и необратимостями процессов, проводят дозаполнение емкостей хранилища дополнительной порцией гидратов, полученных подачей части резер6 вируемого природного газа через теплообменник,21-в кристаллизатор 13, где контактируют его с водой, подаваемой насосом 9 из накопителя 14 через вентиль 40 и трубопровод 41. В кристаллизаторе 13 при

0 давлении 2 мПа и температуре 278...279К образуют гидраты природного газа с отводом теплоты охлаждения и гйдратообразования хладоагентом, кипящим в теплообменнике 19, расположенном в зоне

5 образования гидратов в кристаллизаторе 13, который циркулирует с помощью холодильной машины 12, как было описано выше. Суспензию (смесь воды и гидратов) выводят из кристаллизатора и направляют

0 на дозаправку емкости 22 хранилища 16 через вентили 32 и 26.В емкости 22 отделяют гидраты от водыГ рециркулирующей через предварительно открытые вентили 24 и 33 на вход насоса 9..При этом вентиль 40 за5 крывают. В случае превышения заданного

уровня заполнения кристаллизатора 13

часть воды через вентиль 34 сливают в ем кость 14. После оптимального заполнения

емкости 22 хранилища гидратами, аналогич0 но проводят дозаполнение емкости 23, а затем и других емкостей хранилища 16 не показанных на чертеже. Заполнив все емкости хранилища прекращают образование гидратов, а станция продолжает работать в

5 оптимальном режиме, без резервирования и использования зарезервированного газа до очередного периода пика электрической нагрузки.

Преимущество заявляемого техниче0 ского решения заключается в повышении экономичности, обусловленной сокращением массы природного газа, переводимого через газогидратное состояние в кристаллизаторе, что позволяет помимо энергозатрат

5 сократить и габариты кристаллизатора. Формула изобретения 1. Способ резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами путем образования газовых гидратов по крайней мере из части

резервируемого природного газа в зоне гид- ротообразования и хранения их в местах хранения зарезервированного газа в период провала электрической нагрузки, последующего использования зарезервированного газа в период пика, электрической нагрузки разложением гидратов с образованием льдоводяной суспензии и отделением воды и льда от газа/направляемого на сжигание в котлоагрегат для получения водяного пара, направляемого в паровую турбину, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, образование гидратов части резервируемого газа ведут контактированием газа с льдоводяной суспензией в местах хранения зарезервированного газа, При этом теплоту гидратообразования отводят для плавления льда.

2, Способ поп, 1,отличающийся тем, что часть резервируемого газа, переводимую в гидраты, определяют по зависимости

плгг

(1 - К) Д +1) ЧКрв-ДТ

------sft- ----

где К - коэффициент, учитывающий потери тепла в результате теплопритоков и необра- тимостей процессов в емкости хранилища;

А Н - теплота образования гидратов природного газа, кДж/кг газа;

О

0

0

5

0

5

А -удельная масса гидрата, кг гидр./кг

газа;

4х- объемная доля воды в гидратной суспензии в местах хранения зарезервированного газа;

РЪ ,РГ - плотности, соответственно воды и гидрата, кг/м3;

СР8 удельная теплоемкость воды, кДж/кг град;

ДТ - разность температур между равновесной температурой хранения газа и температурой образования гидратов, град.

3. Система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами, состоящая из соединенных трубопроводами с вентилями магистрального газопровода с редуцирующим устройством, котлоагрегата, паровых и газовых турбин, электрогенераторов, конденсатора, градирни, насосов питательной и циркуляционной вод, а также хранилища природного газа, включающего несколько скоммутированных по газу, воде и гидратам газа емкостей, кристаллизатор со встроенными теплообменниками и накопитель воды с теплообменником, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, каждая из емкостей хранилища дополнительно подсоединена посредством трубопровода с вентилем к магистральному газопроводу до редуцирующего устройства.

Использование: в теплоэнергетике, преимущественно на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами, Сущность изобретения: образуют газовые гидраты из резервируемого газа в зонах гидратообра- эования и хранения зарезервированного газа в период провала электрической нагрузки на электростанции. В период пика электрической нагрузки используют зарезервированный газ, разлагая гидраты с образованием льдоводяной суспензии. Система включает магистральный газопровод с редуцирующим устройством, котлоаг- регат, паровые и газовые турбины, насосы питающей и циркуляционной воды, хранилище природного газа, кристаллизатор и накопитель воды. Гидраты резервируемого газа разлагают в хранилище природного газа, а образуют в кристаллизаторе и хранилище природного газа. 2 с.п. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.