энергетическая установка для редуцирования давления природного газа

Формула изобретения

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕДУЦИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА, содержащая два турбодетандера, каждый из которых имеет входную и выходную магистрали, нагнетатель с входным и выходным трактами, причем входная магистраль одного из турбодетандеров сообщена через теплобменник с магистралью природного газа, отличающаяся тем, что входной тракт нагнетателя связан с атмосферой, а выходной тракт нагнетателя через теплообменник подключен к входной магистрали другого турбодетандера, нагреватель дополнительно содержит устройство для отбора горячего воздуха потребителю, установленное на его выходном тракте перед теплообменником, а вал нагнетателя кинематически связан с валами турбодетандеров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим установкам с рекуперацией тепловой энергии и с реализацией турбодетандерного эффекта и может быть использовано для создания наземных установок для утилизации потенциальной энергии природного газа при редуцировании давления газа на газораспределительных станциях.

Известна энергетическая установка, содержащая компрессор, установленную перед ним воздушную турбину, механически соединенную с валом компрессора, и теплообменник, размещенный за воздушной турбиной, причем вход тракта охлаждаемой среды теплообменника подключен к проточной части установки за компрессором.

В результате реализации известного технического решения достигается цель получения охлажденного воздуха высокого давления, однако последнее сопряжено с низкой эффективностью рабочего процесса, что обусловлено необходимостью значительного подвода внешней энергии к турбохолодильной машине и выражается низким значением холодильного коэффициента, представляющего собой отношение количества тепла, отбираемого от охлаждаемой среды, к затраченной внешней работе.

Известна также энергетическая установка, содержащая нагнетатель с выходной магистралью, два турбодетандера, по крайней мере один из которых расположен в магистрали природного газа, теплообменник и соединительные магистрали. В данной установке потенциальная энергия перекачиваемого природного газа используется для получения энергии при реализации турбодетандерного эффекта. Так, транспортируемый природный газ поступает в нагнетатель, после сжатия в котором необходимое количество газа отбирается в турбодетандеры для выработки электрической энергии на собственные нужды. Нагнетатель приводится в действие с помощью газотурбинного привода, для работы которого требуется затрата природного газа в качестве топлива. Таким образом, за счет расширения газа в турбодетандерах получается полезная механическая энергия, подводимая к электрогенераторам, и значительный хладоресурс, который полезно используется в холодильнике. Кроме того, повышение температуры природного газа в теплообменнике, установленном перед турбодетандерами, повышает КПД последних.

Недостатком известного технического решения является сравнительно низкие эффективность и экологические показатели, что обусловлено необходимостью сжигания природного газа, потребного для работы привода нагнетателя, а также сравнительно узкие функциональные возможности установки, позволяющей получать только "технологический холод".

Целью изобретения является повышение эффективности и улучшение экологических показателей за счет использования энергии газа без сжигания последнего и расширение функциональных возможностей путем получения дополнительно к хладоресурсу еще и некоторого количества горячего воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что вал нагнетателя соединен с валами каждого из двух турбодетандеров жесткой кинематической связью, входная магистраль нагнетателя соединена с атмосферой, выходная магистраль нагнетателя соединена через теплообменник с входной магистралью второго турбодетандера, а в выходной магистрали нагнетателя перед теплообменником смонтировано устройство для отбора горячего воздуха потребителю.

Конструктивная схема предлагаемой энергетической установки представлена на чертеже.

Турбодетандеры 1 и 2 имеют входные магистрали 3, 4 и выходные магистрали 5 и 6 соответственно. Входная магистраль 3 соединена с магистральным газопроводом 7, а выходная магистраль 5 с потребителем природного газа низкого давления. Нагнетатель 8 (это может быть осевой компрессор, центробежный компрессор и т.д.) имеет входную магистраль 9, через которую в него поступает атмосферный воздух, и выходную магистраль 10, за которой установлен теплообменник 11, в свою очередь соединенный с входной магистралью 4 турбодетандера 2. Вал 12 нагнетателя соединен жесткой кинематической связью с валом 13 турбодетандера 1 и с валом 14 турбодетандера 2. Указанная связь может быть выполнена в виде соединительных муфт, что может быть осуществлено при равенстве частот вращения всех трех указанных валов. Однако, если оптимальные частоты вращения для каждого из агрегатов отличаются друг от друга, то валы нагнетателя и трубодетандеров необходимо соединить с помощью зубчатой передачи. В выходной магистрали 10 нагнетателя перед теплообменником 11 смонтировано устройство 15 (условно показано в виде патрубка с краном) для отбора горячего воздуха потребителю.

Выходная магистраль 6 может быть снабжена регулировочным органом 16 и соединена магистралью 17 с выходной магистралью 10 нагнетателя 8.

Установка работает следующим образом. Природный газ из магистрального газопровода 7 подается через теплообменник 11 во входную магистраль 3 турбодетандера 1, где происходит редуцирование давления до значений, требуемых потребителю. Поддержание требуемых значений температуры и давления природного газа в выходной магистрали 5 осуществляется с помощью регулируемого соплового аппарата (на чертеже не показан) или органа регулирования перепускной магистрали. Высвобождаемая при работе турбодетандера мощность передается на вал 12 нагнетателя 8, который предназначен для отбора атмосферного воздуха и повышения его (воздуха) давления и температуры. После нагнетателя нагретый воздух высокого давления поступает в устройство для отбора горячего воздуха потребителю и в теплообменник 11, в котором в качестве хладагента используется природный газ, подаваемый из магистрального газопровода 7 во входную магистраль 3 турбодетандера 1. Так как природный газ имеет температуру гораздо ниже, чем воздух, поступивший в теплообменник 11, то в результате происходящего теплообмена температура природного газа во входной магистрали 3 турбодетандера 1 повышается (по сравнению с температурой того же газа в магистральном газопроводе 7), что дает возможность избежать выпадения газгидратов в турбодетандере и повышает тем самым надежность турбодетандера как составной части энергетической установки. Поскольку воздух после теплообменника 11 имеет давление, превышающее величину давления атмосферного воздуха, появляется возможность "сработать" этот перепад давления на турбодетандере 2 и получить в итоге дополнительную мощность на его валу, которая благодаря соединению валов 12 и 14 передается нагнетателю 8. При этом холодный воздух из магистрали 6 подается потребителю.

Положительный эффект от использования предложенной энергетической установки заключается в следующем:

повышается эффективность в результате наиболее полного использования энергии природного газа при его редуцировании до заданного давления при одновременном исключении выпадения газгидратов, разрушающих лопатки турбодетандера, за счет подогрева газа в теплообменнике;

расширяются функциональные возможности за счет возможности получения холодного воздуха на выходе из турбодетандера и горячего воздуха на выходе из нагнетателя, (как показывают расчеты при создании энергетической установки на базе авиационного газотурбинного двигателя АИ-25, в котором взамен камеры сгорания установлен теплообменник, получаются следующие параметры при расходе природного газа через турбодетандер: 6 кг/с и снижении давления от 12 кгс/см² в магистральном трубопроводе до 6 кгс/см² в магистрали на выходе турбодетандера:

расход холодного воздуха на выходе турбодетандера 6 кг/с при температуре 253 К и давлении 0,11 МПа;

расход горячего воздуха на выходе из устройства 15 1,6 кг/с при температуре 450 К и давлении 0,4 МПа);

улучшаются экологические показатели установки за счет использования устройств без сжигания природного газа.

Наибольшее применение предлагаемое техническое решение может найти на газораспределительных станциях, где осуществляется отвод природного газа от магистрального газопровода к потребителю с одновременным снижением его давления с помощью дросселирующих устройств, которые до появления предложенной энергетической установки приводят к бесполезному рассеиванию потенциальной энергии давления газа. В качестве потребителей холодного воздуха можно использовать складские помещения, холодильники, а в качестве потребителей горячего воздуха например, теплицы.