Комбинированная энергетическая установка

 

Использование: в энергетике и может быть использовано для выработки дополнительной электроэнергии с утилизацией тепла двигателей и энергии дросселируемого в системах газоснабжения природного газа. Сущность изобретения: установка содержит газотурбинный двигатель с трактом уходящих газов, подключенный к последнему теплоутилизационный контур, содержащий последовательно установленные в тракте уходящих газов по греющей среде конвективный теплообменник и контактный теплообменник с активной насадкой. Установка содержит также магистрали природного газа и распределительной сети, соединенные байпасным трубопроводом. 1 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки дополнительной электроэнергии с утилизацией тепла двигателей и энергии дросселируемого в системах газоснабжения природного газа.

Известна комбинированная энергетическая установка для выработки полезной энергии и хладопроизводительности путем расширения транспортируемого газа в турбодетандере [1] .

Недостатком такой установки является незначительная единичная мощность вследствие низкой энергоценности расширяемого природного газа по сравнению с процессами сжигания газа или расширения пара. Нестабильность их режимных характеристик вследствие колебаний расхода газа в системах газоснабжения. Кроме того, при расширении транспортируемого природного газа в турбодетандерах имеет место глубокое переохлаждение газа и, как следствие, расслоение металла труб и обмерзание прилегающего грунта, что приводит к "вспучиванию" газопроводов. Указанные недостатки препятствуют серийному внедрению турбодетандерных установок на газораспределительных станциях и пунктах систем газоснабжения, на которых природный газ перед поступлением на потребитель до настоящего времени дросселируется в регулирующих клапанах, как правило, без выработки полезной энергии. Известна также комбинированная парогазовая установка, содержащая газотурбинную установку с трактом уходящих газов, подключенным выхлопом уходящих газов к котлу - утилизатору утилизационной паротурбинной установки [2] .

Установка предназначена для выработки электроэнергии из отходящих газов газотурбинной установки. Особенностью выработки дополнительной электроэнергии в паротурбинной установке является то, что ее мощность составляет 0,25-0,3 мощности основного газотурбинного двигателя, а значение электрического КПД установки составляет 35-40% .

Недостатком установки является наличие в ней контура циркуляционного охлаждения конденсатора и, как следствие, низкая экономичность и большие сбросы воды, газа и тепла в окружающую среду как с выхлопными газами, так и в контуре циркуляционного охлаждения.

Известна также комбинированная энергетическая установка, содержащая газотурбинный двигатель с трактом уходящих газов, подключенным выхлопом уходящих газов к теплоутилизационному контуру, теплоутилизационный контур содержит последовательно установленные в тракте уходящих газов газотурбинного двигателя по греющей среде два теплообменника, а также тракт природного газа, в который последовательно включены теплообменники по нагреваемой среде и турбодетандер, причем тракт природного газа подключен на входе к магистрали природного газа, а на выходе - к распределительной сети [3] .

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что теплоутилизационный контур содержит последовательно установленные в тракте уходящих газов газотурбинного двигателя по греющей среде конвективный и контактный теплообменники, а также тракт природного газа, в который последовательно включены контактный и конвективный теплообменники по нагреваемой среде и турбодетандер, причем тракт природного газа подключен на входе к магистрали природного газа, а на выходе - к распределительной сети.

Таким образом, заявляемая комбинированная энергетическая установка соответствуют критерию изобретения "новизна".

Целью изобретения является повышение экономичности установки и снижение вредных выбросов в окружающую среду как за счет снижения сброса тепла в атмосферу с выхлопными газами, так и предотвращения тепловых потерь и расхода воды в контуре циркуляционного охлаждения.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия".

На чертеже представлена принципиальная схема комбинированной энергетической установки.

Установка содержит газотурбинный двигатель с трактом уходящих газов, выполненный в виде воздушного компрессора 1, камеры 2 сгорания и газовой турбины 3. Газотурбинный двигатель выхлопом уходящих газов подключен к теплоутилизационному контуру, содержащему последовательно установленные в тракте уходящих газов по греющей среде конвективный теплообменник 4 и контактный теплообменник 5 с активной насадкой 6, выполненной в виде змеевикового подогревателя природного газа.

На одном валу с газовой турбиной 3 расположен турбодетандер расширения природного газа 7 с газорегулирующим устройством 8 и редуктор 9, через который осуществляется передача суммарной полезной мощности газотурбинного двигателя и турбодетандера электрогенератору 10. Электрогенератор 10 подключается к энергосети параллельно другому источнику электроснабжения или для автономного обеспечения абонентского потребителя электри- чества. Для устойчивого непрерывного снабжения потребителей природного газа предусмотрен быстродействующий регулирующий клапан 11 на байпасном газопроводе 12, поддерживающий заданное давление природного газа, транспортируемого на потребитель, а для обеспечения устойчивой работы турбодетандера 7 - дифференциальный датчик 13, настраиваемый на поддержание заданного постоянного перепада давления газа в трактах природного газа 14 и 15 и передающий управляющий сигнал на газорегулирующее устройство 8 турбодетандера 7.

Для регулирования температуры природного газа и мощности турбодетандера 7 на выхлопе газовой турбины 3 предусмотрено дожигающее устройство 16, включаемое в работу при снижении расхода или температуры природного газа, поступающего на турбодетандер 7, а также газорегулирующая заслонка 17 на байпасном газопроводе 18, обеспечивающая перепуск выхлопных газов помимо теплообменников 4 и 5 при повышении температуры природного газа, транспортируемого на потребитель, сверх заданного значения. Для предпусковой вентиляции выхлопа газовой турбины предусмотрен быстрозапорный клапан 19. Отвод излишков конденсата, образующегося из паров и влаги выхлопных газов в контактном теплообменнике 5, осуществляется по трубопроводу 20 под давлением, создаваемым циркуляционным насосом 21. На тракте природного газа 14 установлен газоводяной теплообменник 22 охлаждения циркуляционной воды замкнутого контура охлаждения масла.

Установка работает следующим образом.

Пуск установки производится включением в работу газотурбинного двигателя или турбодетандера 7.

Режим работы установки может устанавливаться как регулированием мощности газотурбинного двигателя, так и турбодетандера независимо друг от друга. В качестве сжигаемого топлива в установке используется природный газ.

При работе установки избыточная мощность газовой турбины 3 и мощность турбодетандера 7 суммируются и передаются электрогенератору 10. Выхлопные газы газовой турбины 3 поступают через дожигающее устройство 16 и теплообменники 4 и 5 в атмосферу при температуре 40^оС.

Природный газ по тракту 14 направляется последовательно в газоводяной теплообменник 22, где нагревается на 8^оС, активную насадку 6 контактного теплообменника 5, нагреваясь до температуры 50^оС, конвективный теплообменник 4, газорегулирующее устройство 8 на турбодетандер 7, расширяется и при заданной температуре, например 140^оС, поступает по тракту природного газа 15 в распределительную сеть. Часть природного газа по байпасному газопроводу 12 через регулирующий клапан 11 поступает на смешение в тракт природного газа 15 в количестве, определяемом настройкой датчика 13. При изменении режима работы турбодетандера 7 количество газа, поступающего в распределительную сеть, управляется регулирующим клапаном 11, а при изменении расхода газа на потребитель изменяется только мощность турбодетандера 7 при неизменном расходе газа по байпасному газопроводу 12.

Таким образом осуществляется независимое устойчивое снабжение потребителя газом при различных режимах работы как системы газоснабжения, так и турбодетандера, включая режим аварийной остановки турбодетандера 7. При необходимости изменения мощности турбодетандера 7 или температуры газа в тракте 15 включается в работу дожигающее устройство 16, при этом осуществляется дополнительное сжигание газа в среде выхлопных газов газовой турбины 3 и понижается теплоотдача в теплообменниках 4 и 5. При необходимости поддержания заданной отрицательной (0-2^оС) температуры природного газа в тракте 15, например, при прокладке подземного газопровода на потребитель и мерзлом грунте, осуществляется перепуск части выхлопных газов помимо теплообменников 4 и 5 через газорегулирующую заслонку 17 в атмосферу. Теплопередача в теплообменнике 4 осуществляется при конвективном теплообменнике между выхлопным и природным газом, а в теплообменнике 5 - путем непосредственного контакта выхлопных газов и циркулирующей воды и теплообмене нагретой воды и природного газа в активной насадке 6. При этом в теплообменнике 5 осуществляется конденсация паров влаги, содержащихся в выхлопных газах, и избыток циркулирующего под напором насоса 21 конденсата отводится на технологические нужды через трубопровод 20.

Основной особенностью предложенной комбинированной установки является взаимосвязь расходных, параметрических и режимных характеристик, предопределяющая высокую экономичность процесса выработки электроэнергии и снижение тепломассообмена с окружающей средой.

Указанная взаимосвязь обусловлена способностью транспортируемого природного газа к использованию низкопотенциального тепла без потерь в окружающую среду и без затрат энергии на сжатие газа.

Например, при оптимизации мощностных характеристик оборудования на номинальном режиме работы установки соотношение полезных мощностей газотурбинного двигателя и турбодетандера 7 может составлять 1: 2, при нагреве природного газа до температуры 130-150^оС и охлаждении выхлопных газов от 400-500^оС до температуры 30-40^оС. При этом выхлопной газ удаляется в атмосферу в осушенном состоянии, а содержание окислов азота в нем снижается на 60% по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемой комбинированной энергетической установке достигаются следующие преимущества: повышение единичной мощности установок в 2-3 раза; увеличение электрического КПД до 60-65% вместо 20-27% ; предотвращение выброса с выхлопными газами в атмосферу паров влаги, содержащихся в продуктах сгорания; снижение выброса окислов азота в атмосферу до 60% ; увеличение мощности турбодетандера за счет нагрева газа на 50% .

При внедрении установки достигается также повышение надежности систем электроснабжения за счет насыщения энергосистем маневренными установками средней мощности, способными работать в аварийном режиме при прекращении подачи газа на основной потребитель или при обесточивании энергосети. Кроме того, обеспечивается возможность поддержания заданной температуры газа на потребитель, что решает важную проблему повышения надежности подземных газопроводов как в зонах вечной мерзлоты, так и в условиях переменного температурного режима грунта.

Установка располагается на газораспределительной станции (ГРС) или пункте (ГРП) системы газоснабжения крупных потребителей природного газа.

Формула изобретения

КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, включающая газотурбинный двигатель, содержащий установленные на общем валу компрессор, полезную нагрузку, турбину с трактом выхлопных газов, 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, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения выбросов в окружающую среду, установка снабжена дожигающей камерой, установленной в выхлопном тракте между 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 установлено между конвективным теплообменником и турбодетандером, а последний установлен на общем валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1