турбодетандерная установка

Формула изобретения

1. Турбодетандерная установка, включающая турбодетандер, содержащий рабочее колесо, камеру высокого давления и камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой с размещенным в ней вентилятором и форсунками, отличающаяся тем, что эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления, а рабочее колесо турбодетандера жестко соединено с ротором электрогенератора на подшипниках, преимущественно магнитных или воздушных, причем электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителем электроэнергии.

2. Турбодетандерная установка по п.1, отличающаяся тем, что магистраль отвода газовоздушной смеси содержит регулировочный орган, который соединен магистралью с топливным элементом, связанным с потребителем электроэнергии и газоводом, который соединен с эжекторной трубой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании турбин для газовой промышленности.

Аналогом предлагаемого изобретения является система эжекции для отвода газов из межлабиринтных полостей турбины (Турбодетандерная электростанция "Мотор сич ЭТД-1000". Композит каталог нефтегазового оборудования и услуг, российский том. Изд. "Топливо и энергетика", 1999 г.). Система эжекции по аналогу состоит из узла двухступенчатого эжектора, в который по подводящему трубопроводу подается активный газ из входной магистрали газораспределительной станции, газовоздушная смесь из межлабиринтных полостей турбины, а по отводящему трубопроводу газовоздушная смесь поступает в магистраль потребителя природного газа. Данная система позволяет полностью исключить утечки природного газа в атмосферу.

Однако техническое решение по аналогу допускает попадание воздуха в магистраль потребителя природного газа, что является недопустимым для потребителя.

Наиболее близким техническим решением заявляемому устройству является "Устройство для утилизации утечек природного газа из проточной части лопаточной машины", патент на ПМ РФ №20931, кл. F02C 7/28 от 08.06.2001 г., принятое за прототип.

Устройство содержит турбодетандер, камеру высокого давления и камеру низкого давления, сообщающиеся через уплотнения с накопительной камерой.

Техническое решение по прототипу обеспечивает полезное использование неизбежных утечек природного газа из проточной части лопаточных машин посредством их сжигания с получением тепловой энергии, что позволяет расширить потребительские свойства установок, использующих предложенное устройство.

Недостатком данного решения является малоэффективное использование тепла утечек природного газа.

Технической задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности использования потенциальной энергии утечек природного газа.

Технический результат достигается тем, что заявляемая турбодетандерная установка, включающая турбодетандер, содержащий рабочее колесо, камеру высокого давления и камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой, с размещенным в ней вентилятором и форсунками, причем эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления, а рабочее колесо турбодетандера жестко соединено с ротором электрогенератора на магнитных или воздушных подшипниках, при этом электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителем электроэнергии.

При этом магистраль отвода газовоздушной смеси содержит регулировочный орган, который соединен с топливным элементом, связанным с потребителем электроэнергии и с газоводом, соединенным с эжекторной трубой.

Турбодетандерная установка на фиг.1-2 включает турбодетандер 1, рабочее колесо 2, камеру высокого давления 3, камеру низкого давления 4, бесконтактное уплотнение 5, бесконтактное уплотнение 6, накопительную камеру 7, магистраль отвода газовоздушной смеси 8, эжекторную трубу 9, форсунки 10, вентилятор 11, теплообменник 12, магистраль природного газа 13, проточную часть 14, ротор 15 электрогенератора, магнитные (или воздушные, в которых между роторной и статорной частью организован поток сжатого воздуха) подшипники 16 ротора 15 электрогенератора, преобразователь частоты 17, потребитель электроэнергии 18, магистраль 19, регулировочный орган 20, топливный элемент 21, газовод 22.

Турбодетандерная установка, представленная на фиг.1, работает следующим образом.

Включается вентилятор 11 и поток воздуха создает разрежение на форсунках 10, расположенных в эжекторной трубе 9. После не менее 3 с подается природный газ в проточную часть 14 турбодетандера 1, откуда его небольшая часть (утечка) перетекает в камеру высокого давления 3. Из камеры 3 через бесконтактное уплотнение 5 природный газ поступает в накопительную камеру 7, где смешивается с воздухом, поступившим в накопительную камеру 7 из камеры низкого давления 4 через бесконтактное уплотнение 6. Давление газовоздушной смеси в накопительной камере 7 меньше атмосферного на величину не менее 3-5 кПа. Из накопительной камеры 7 газовоздушная смесь по магистрали 8 поступает в форсунки 10. На выходе из форсунок 10 газовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в потоке воздуха с выделением тепла, которое повышает температуру воздуха в эжекторной трубе 9. Выхлопной газ из эжекторной трубы 9 в теплообменнике 12 подогревает входящий в него из магистрали 13 природный газ. Подогретый природный газ поступает в проточную часть турбодетандера 14 и в рабочее колесо 2 турбины, где создается механическая работа, снимаемая ротором 15 электрогенератора, установленном на магнитных (или воздушных) подшипниках 16. Вырабатываемый электрический ток поступает в преобразователь частоты 17, где частота принимает стандартное значение, и электроэнергия направляется потребителю 18.

Турбодетандерная установка, представленная на фиг.2, работает следующим образом.

Включается вентилятор 11 и поток воздуха создает разрежение на форсунках 10, расположенных в эжекторной трубе 9. После не менее 3 с подается природный газ в проточную часть 14 турбодетандера 1, откуда его небольшая часть (утечка) перетекает в камеру высокого давления 3. Из камеры 3 через бесконтактное уплотнение 5 природный газ поступает в накопительную камеру 7, где смешивается с воздухом, поступившим в накопительную камеру 7 из камеры низкого давления 4 через бесконтактное уплотнение 6. Давление газовоздушной смеси в накопительной камере 7 меньше атмосферного на величину не менее 3-5 кПа. Из накопительной камеры 7 газовоздушная смесь по магистрали 8 поступает через регулировочный орган 20 и магистраль 19 в топливный элемент 21, где выделяется дополнительная электроэнергия, идущая потребителю 18, и далее через газовод 22 подается к форсункам 10. На выходе из форсунок 10 газовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в потоке воздуха с выделением тепла, которое повышает температуру воздуха в эжекторной трубе 9. Выхлопной газ из эжекторной трубы 9 в теплообменнике 12 подогревает входящий в него из магистрали 13 природный газ. Подогретый природный газ поступает в проточную часть турбодетандера 14 и в рабочее колесо 2 турбины, где создается механическая работа, снимаемая ротором 15 электрогенератора, установленном на магнитных (или воздушных) подшипниках 16. Вырабатываемый электрический ток поступает в преобразователь частоты 17, где частота принимает стандартное значение, и электроэнергия направляется потребителю 18.

Назначенный диапазон разрежения утечек природного газа в 3-5 кПа обусловлен тем, что для надежной работы предлагаемого устройства необходимо поддерживать давление в накопительной камере 7 ниже атмосферного уровня. С учетом точности используемых при эксплуатации газового оборудования манометров общепромышленного назначения (2 кПа) нижний предел разрежения (3 кПа) выбран с коэффициентом запаса 1.5. Верхний предел выбран из условия мощности используемого воздушного вентилятора 11, у которого степень повышения полного давления не превышает 1.06. С учетом потерь давления в магистрали отвода газовоздушной смеси 8, которые составляют не менее 1 кПа и выбрана величина верхнего предела 5 кПа.

Преимуществом заявляемого технического решения является:

- подогрев природного газа перед поступлением в турбодетандер с помощью тепла от сгорания утечек природного газа взамен тепла от специального внешнего источника;

- уменьшение потерь мощности электрогенератора за счет устранения механического трения в опорах его ротора при использовании магнитных подшипников;

- исключение редуктора между турбодетандером и электрогенератором и специальной системы поддержания частоты переменного тока в допустимом диапазоне при использовании преобразователя частоты;

- увеличение мощностного КПД турбодетандерной установки при использовании топливного элемента, вырабатывающего дополнительную электроэнергию.

Возможность реализации турбодетандерной установки на фиг.1 и 2 подтверждена расчетным исследованием, при исходных данных:

давление природного газа в камере 3	500 кПа
давление воздуха в камере 4	100 кПа
расход воздуха, создаваемый вентилятором 11	0.43 кг/с
полное давление воздуха за вентилятором 11	106 кПа
расход природного газа через турбодетандер 1	8 кг/с

При представленных данных вентилятор 11 создает на форсунках 10 разрежение рабочей среды, позволяющее отводить газовоздушную смесь с расходом до 0.068 кг/с (с содержанием природного газа 78%) из накопительной камеры 7 в форсунки 10 с поддержанием давления смеси в камере 7 не более 90 кПа. Сжигание утечки газа (содержащегося в отведенной газовоздушной смеси), составляющей 0.4% от расхода природного газа через турбодетандер, позволяет получить 960 кВт тепловой мощности для подогрева природного газа в теплообменнике на 50 градусов, что вполне компенсирует его последующее охлаждение в турбодетандере.

Применение магнитных или воздушных подшипников 16 требует затраты электроэнергии, составляющей всего 0.02% от мощности электрогенератора, в то время как трение в обычных подшипниках качения вызывает необходимость затрат мощности не менее 1%.

Использование преобразователя частоты переменного тока 17 позволяет оптимально выбрать частоту вращения ротора и отказаться от соединяющего их валы редуктора (обязательного элемента турбодетандерной установки с электрогенератором промышленной частоты), что позволяет уменьшить металлоемкость установки, а также повысить ее надежность; при этом можно ожидать, что затраты на приобретение преобразователя частоты перекрываются экономией при реализации указанных факторов.

Исключение редуктора из силовой схемы турбодетандерной установки позволяет также уменьшить потери мощности на привод электрогенератора на 3-5% и отказаться от системы смазки турбодетандерной установки, а использование высокочастотного электрогенератора существенно уменьшает его массу, а следовательно, и стоимость.

Имеющиеся данные по проекту перспективного топливного элемента позволяют ожидать следующих его параметров: КПД=50%, температура выходящего газа Т_г=1000 К; в выходящем газе содержатся в ограниченном количестве водород и окись углерода.

Таким образом, предложенное устройство позволяет более эффективно использовать потенциальную энергию утечек природного газа, как за счет использования тепла от их сжигания для подогрева поступающего в турбодетандер природного газа, так и за счет непосредственного получения электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, а также уменьшить механические потери за счет применения магнитных или воздушных подшипников в электрогенераторе.