способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения и комбинированная газотурбинная установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы распределения низкотемпературного природного газа высокого давления, заключающийся в выработке механической или электрической энергии в турбодетандере при расширении низкотемпературного природного газа высокого давления, выработке механической или электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя, утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя и использовании низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника, отличающийся тем, что утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по циклу Брайтона, варьируя мощность теплового двигателя изменением массового расхода рабочего тела с помощью дозаторов, подкачивающего компрессора и расходных баллонов низкого и высокого давлений, содержащих запас рабочего тела, а рабочее тело теплового двигателя сжимают в многоступенчатом компрессоре, расширяют в турбине, причем охлаждение рабочего тела ведут низкотемпературным природным газом после турбодетандера в низкотемпературном теплообменнике.

2. Комбинированная газотурбинная установка системы распределения природного газа, содержащая газотурбинный двигатель, имеющий воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, свободную турбину и установленный в ее тракте теплообменник-утилизатор, а также напорный газопровод высокого давления, низкотемпературный теплообменник, турбодетандер и выходную магистраль отвода газа низкого давления, отличающаяся тем, что она снабжена тепловым двигателем с замкнутым контуром циркуляции, работающим по циклу Брайтона, имеющим многоступенчатый компрессор рабочего тела и установленный на одном валу с ним подкачивающий компрессор, расходные баллоны рабочего тела высокого и низкого давлений, дозаторы рабочего тела, турбину с установленными в ее тракте на входе упомянутым теплообменником-утилизатором, а на выходе турбины упомянутым низкотемпературным теплообменником, к которому подключены турбодетандер и магистраль отвода газа низкого давления, при этом компрессор газотурбинного двигателя выполнен многоступенчатым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комбинированным газотурбинным установкам. Может быть использовано в области энергетики, преимущественно в наземных установках для выработки дополнительной электроэнергии с реализацией избыточного давления природного газа в турбодетандерах на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известен способ работы комбинированной газотурбинной установки системы распределения природного газа на ГРС и ГРП, предназначенной для выработки дополнительной электроэнергии с утилизацией теплоты выхлопных газов двигателей и энергии давления дросселируемого в системах газораспределения природного газа. Так, по техническому решению [патент РФ 2013616, кл. F 02 С 6/00, 1994], принятому за аналог, за счет глубокой утилизации теплоты выхлопных газов решаются проблемы выработки полезной энергии при низкой начальной температуре природного газа высокого давления, перекачиваемого по магистральным трубопроводам, после его расширения в турбодетандере. Способ работы аналога включает сжатие воздуха в многоступенчатом воздушном компрессоре газотурбинного двигателя (ГТД), расширение рабочего тела с одновременным его охлаждением в турбине ГТД, турборасширителе и утилизационном двигателе, утилизацию тепла выходящих из турбины ГТД выхлопных газов в котле-утилизаторе с одновременным нагревом полученным теплом рабочего тела, поступающего на вход утилизационного двигателя, и нагрев воды в теплообменнике-утилизаторе, подвод газа высокого давления к установке для расширения, охлаждение и направление полученного охлажденного газа низкого давления потребителю. Причем к утилизационному двигателю подводят газ высокого давления, являющийся его рабочим телом, дополнительно осуществляют отбор части охлажденного газа после утилизационного двигателя и охлаждение отобранной частью на режиме максимальной холодопроизводительности рабочего тела, в качестве которого используется воздух, поступающий на вход турборасширителя и на режиме экономии топлива поступающий на вход воздушного компрессора, на режиме выработки низкотемпературного холодоносителя дополнительно осуществляют рециркуляцию воздуха и/или газа из выходов соответственно турборасширителя и утилизационного двигателя для охлаждения поступающего на их входы соответственно воздуха и газа и дополнительно нагревают отобранную часть охлажденного газа утилизированным теплом от теплообменника-утилизатора, на режимах максимального получения полезной мощности и максимальной выдачи тепла осуществляют дополнительно нагрев выхлопных газов, выходящих из турбины ГТД, перед их поступлением в котел-утилизатор в камере дожигания, при этом утилизированным в котле-утилизаторе теплом выходящих из турбины выхлопных газов нагрев рабочего тела (газа), поступающего на вход утилизационного двигателя, осуществляют на режиме получения максимальной полезной мощности, а нагрев сетевой воды - на режиме максимального получения тепла.

Известна комбинированная энергетическая установка [патент РФ 2013618, кл. F 02 С 6/18, 1994], включающая газотурбинный двигатель, содержащий установленные на общем валу компрессор, полезную нагрузку, турбину с трактом выхлопных газов с дожигающей камерой, подключенный на входе к магистрали природного газа, а на выходе - к магистрали распределительной сети, теплоутилизационный контур, содержащий последовательно подключенные по нагреваемой среде к тракту выхлопных газов по крайней мере два теплообменника и турбодетандер, причем с целью повышения экономичности и снижения выбросов в окружающую среду установка снабжена дожигающей камерой, установленной в выхлопном тракте между газовой турбиной и первым по ходу газов теплообменником, газорегулирующим устройством и тремя байпасными трубопроводами с установленными на них заслонками, один из которых подключен к выходу из компрессора и дожигающей камере, второй - к выходу из турбины и тракту выхлопных газов за вторым по ходу газов теплообменником, а третий - к магистрали природного газа и магистрали распределительной сети, причем первый теплообменник выполнен контактного типа, второй - конвективного типа, газораспределительное устройство между конвективным теплообменником и турбодетандером, а последний установлен на общем валу.

Недостатками указанных аналогов является дополнительный расход топлива в камере дожигания, повышение удельного расхода топлива, возможность пиролиза природного газа в теплоутилизационном контуре при его нагреве уходящими газами, а также снижение уровня техники безопасности, обусловленное тем, что магистраль природного газа в конвективном и контактном теплообменниках омывается высокотемпературным потоком продуктов сгорания (350...500^oС).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ повышения удельной эффективности комбинированной установки при снижении давления природного газа на ГРС, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа и работы авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления природного газа на выходе из турбодетандера [патент РФ 2091592, кл. F 01 К 27/00, F 02 С 6/00, 1997] . Способ работы газотурбодетандерной установки по прототипу основан на совмещении работы турбодетандера природного газа при снижении давления газа в нем на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах и работы газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления на выходе из турбодетандера, причем работу авиационного двигателя осуществляют при его изменяемой мощности вплоть до ее нулевого значения с поддержанием температуры природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273 К. Техническое решение по прототипу реализуется на базе авиационного ГТД, конвертированного в двухвальную наземную энергоустановку, имеющую многоступенчатый осевой компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и установленный в ее тракте теплообменник-регенератор. Газовая турбина состоит из турбины высокого давления и турбины низкого давления, на одном валу с которой расположен турбодетандер. Вал турбины высокого давления может соединяться жесткой кинематической связью с валом турбины низкого давления автоматически, что обеспечивает постоянство давления природного газа на выходе из турбодетандера. Теплота выхлопных газов нагревает природный газ в теплообменнике-регенераторе, обеспечивая тем самым температуру природного газа, направляемого к потребителю, не ниже 273 К.

Недостатком способа работы газотурбодетандерной установки по прототипу является недостаточно высокий эффективный КПД установки (до 45%), связанный с особенностями термодинамического цикла ГТУ с регенерацией тепла. Кроме того, при нагреве природного газа в теплообменнике-регенераторе выхлопными газами авиадвигателя имеет место воздействие высокой температуры (до 500^oС) и как следствие пиролиз природного газа. Недостатком прототипа является также дросселирование авиационного газотурбинного двигателя за счет регулирования температуры в камере сгорания, что приводит (на режимах пониженной мощности) к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ (СО, несгоревшие углеводороды) с продуктами сгорания.

Технический результат - повышение топливной экономичности комбинированной газотурбинной установки, снижение вредных выбросов в окружающую среду и расширение ее функциональных возможностей за счет использования выхлопных газов газотурбинного двигателя в качестве источника теплоты, а низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника-холодильника для обеспечения выработки механической или (и) электрической энергии с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции рабочего тела, работающего по циклу Брайтона.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе работы комбинированной газотурбинной установки системы распределения природного газа сочетают процессы выработки механической или электрической энергии в турбодетандере при расширении низкотемпературного природного газа высокого давления, выработки механической или электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя, утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя и использовании низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника, но в отличие от прототипа утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по циклу Брайтона, варьируя мощность теплового двигателя изменением массового расхода рабочего тела с помощью дозаторов, подкачивающего компрессора и расходных баллонов низкого и высокого давления, содержащих запас рабочего тела, а рабочее тело теплового двигателя сжимают в многоступенчатом компрессоре, расширяют в турбине, причем охлаждение рабочего тела ведут низкотемпературным природным газом после турбодетандера в низкотемпературном теплообменнике.

Технический результат решается также комбинированной газотурбинной установкой системы распределения природного газа, содержащей газотурбинный двигатель, имеющий воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, свободную турбину, напорный газопровод высокого давления, турбодетандер и выходную магистраль отвода газа низкого давления, отличающейся тем, что она снабжена тепловым двигателем с замкнутым контуром циркуляции, работающим по циклу Брайтона, имеющим многоступенчатый компрессор рабочего тела и установленный на одном валу с ним подкачивающий компрессор, расходные баллоны рабочего тела высокого и низкого давления, дозаторы рабочего тела, турбину с установленными в ее тракте на входе упомянутым теплообменником-утилизатором, а на выходе турбины упомянутым низкотемпературным теплообменником, к которому подключены турбодетандер и магистраль отвода газа низкого давления, при этом компрессор газотурбинного двигателя выполнен многоступенчатым. Комбинированная установка включает в себя также редукторы и электрогенераторы (или иные потребители механической энергии).

Пример конкретной реализации способа

Так, например, применение в составе комбинированной газотурбинной установки конвертированного авиационного ГТД типа АЛ-31Ф, имеющего параметры термодинамического цикла: расход циклового воздуха 71 кг/с, степень повышения давления в компрессоре ^*_к = 23, температуру продуктов сгорания перед турбиной T*_г = 1660 К, эффективный КПД _e = 0,389, температуру продуктов сгорания за свободной турбиной 898 К, позволяет получить эффективную мощность на валу свободной турбины для привода электрогенератора, равную 36 МВт.

При этом в качестве ЗГТУ используется газотурбинный двигатель с параметрами ^*_к = 6, T*_г = 873 К, расход рабочего тела (воздух) 76 кг/с, эффективный КПД 0,232, мощность, получаемая для привода электрогенератора, 9,5 МВт.

В целом, при расходе природного газа через турбодетандер, равном 167 кг/с, и начальном давлении 7,5 МПа суммарная мощность комбинированной газотурбинной установки, затрачиваемая на привод электрогенераторов, составляет 76 МВт, а эффективный КПД комбинированной газотурбинной установки системы распределения природного газа составляет 0,598.

На чертеже представлена принципиальная схема установки, реализующая предложенный способ работы комбинированной газотурбинной установки.

Установка содержит магистраль природного газа высокого давления 1, влагоотделитель 2, турбодетандер 3, низкотемпературный теплообменник 4, тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции рабочего тела (замкнутая газотурбинная установка) 5, компрессор 6, подкачивающий компрессор 7, расходные баллоны 8 низкого и высокого давлений, турбины 9, дозатор рабочего тела 10, газотурбинный двигатель 11, содержащий воздушный компрессор 12, камеру сгорания 13, газовую турбину 14, свободную турбину 15, теплообменник-утилизатор 16, дозатор газа 17, выходную магистраль газа низкого давления 18, редукторы 19, 20, 21 и электрогенераторы 22, 23, 24.

Работа комбинированной газотурбинной установки осуществляется следующим образом.

Природный газ высокого давления из магистрали 1 после влагоотделителя 2 поступает в турбодетандер 3. В турбодетандере 3 природный газ снижает давление до требуемого уровня и при температуре ниже температуры окружающей среды поступает в низкотемпературный теплообменник 4, нагревается полученной теплотой от рабочего тела замкнутой газотурбинной установки и поступает через выходную магистраль 18 в распределительную сеть к потребителю. Мощность турбодетандера 3 через редуктор 19 передается электрогенератору 24. Работа замкнутой газотурбинной установки 5 осуществляется по традиционной схеме: рабочее тело циркулирует внутри замкнутого контура установки, где осуществляется его сжатие в компрессоре 6, нагрев в теплообменнике-утилизаторе 16 теплотой выхлопных газов ГТД 11, расширение с одновременным его охлаждением в турбине 9, утилизация теплоты рабочего тела в низкотемпературном теплообменнике 4 с его охлаждением и последующим сжатием в компрессоре 6. Мощность ЗГТУ 5 можно варьировать изменением массового расхода рабочего тела с помощью дозаторов 10, подкачивающего компрессора 7 и расходных баллонов 8 низкого и высокого давления, содержащих запас рабочего тела. Мощность ЗГТУ через редуктор 20 передается электрогенератору 23. Работа газотурбинного двигателя 11 происходит за счет сжатия воздуха, поступающего из атмосферы, в компрессоре 12, который затем поступает в камеру сгорания 13, куда подается природный газ через дозатор газа 17 из магистрали 18. В результате сгорания природного газа в камере сгорания 13 продукты сгорания повышенного давления и температуры поступают на турбину 14, связанную валом с компрессором 12 и приводящую его во вращение. После турбины 14 продукты сгорания поступают в турбину 15, из которой они направляются через теплообменник-утилизатор 16 в атмосферу. С помощью дозатора 17 регулируется температура газа в камере сгорания 13 путем изменения количества природного газа, отбираемого из магистрали 16, и, следовательно, мощность турбины 15, которая через редуктор 21 передается электрогенератору 22. Теплота выхлопных газов нагревает в теплообменнике-утилизаторе 16 рабочее тело ЗГТУ 5, что обеспечивает ее работоспособность и приводит к повышению температуры природного газа в магистрали 18. Этим обеспечивается надежность работы комбинированной газотурбинной установки при любой температуре природного газа в магистрали 1.

Возможность варьирования режимами ГТД 11 и ЗГТУ 5, а также использование низкой температуры природного газа, получаемой в турбодетандере 3, приводит к повышению эффективности бинарного цикла комбинированной газотурбинной установки при сохранении надежности функционирования по сравнению с известными техническими решениями, в частности с прототипом.

Перечисленные положительные свойства способа работы комбинированной газотурбинной установки позволяют повысить эффективность съема электрической энергии с одного килограмма природного газа, широко варьировать мощностями электрогенераторов в зависимости от запросов потребителя, обеспечить гарантийные значения давления и температуры газа, транспортируемого в системах ГРП, а также осуществить утилизацию:

- теплоты продуктов сгорания газотурбинного двигателя;

- физической эксергии природного газа, транспортируемого по магистральным трубопроводам под высоким давлением.