Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины

 

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и может быть использовано при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения, а также продувки полостей нейтральным (инертным) газом. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины содержит компрессор 1 и турбину 2, расположенные на валу 3, свободную турбину 20, соединенную с электрогенератором 22, камеру сгорания 4 со смесительными элементами, сообщенную с одной стороны с компрессором и линией 7 подачи топлива, а с другой - с турбиной и дополнительной камерой сгорания 10, сообщенной с линией подачи топлива 11 и с потребителем нейтральных газов через теплообменный аппарат охлаждения газа 12 непосредственно или через устройство осушки нейтрального газа 23, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива, а также агрегаты управления. Кроме того, устройство для получения нейтрального газа дополнительно снабжено газожидкостным смесителем 28, подключенным к системе подачи воды от внешнего источника 29 и к магистрали 9 подачи продуктов сгорания к дополнительной камере сгорания и к полости после компрессора магистралью 32 с дросселирующим устройством 33. При этом на линии подачи парогаза к потребителю установлено запорное устройство 30. Изобретение позволяет расширить диапазон технологических возможностей устройства для получения нейтрального газа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и может быть использовано при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения, а также продувки полостей нейтральным (инертным) газом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащее компрессор и турбину (расположенные на одном валу), камеру сгорания со смесительными элементами (сообщенную с одной стороны с компрессором и линией подачи топлива, а с другой стороны - с турбиной, теплообменным аппаратом для охлаждения продуктов сгорания, с системой поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива, а также с агрегатами регулирования), в котором имеется дополнительная камера сгорания, подключенная с одной стороны к полости турбины, а с другой - к потребителю нейтральных газов, при этом между потребителем и камерой сгорания установлен теплообменный аппарат, подключенный к системе циркуляции охлаждающей жидкости, например воды (патент РФ N 2138662, кл. F 02 C 3/20, 1999 г. - прототип).

К недостатку данного устройства следует отнести то, что оно не обеспечивает осушку газа (в продуктах сгорания находятся водяные пары), и поэтому имеет ограничение по применению в холодное время года, а также не позволяет получить другое рабочее тело, например парогаз. Последнее сужает область его использования. Кроме того, в этом устройстве отсутствует источник электрического питания, что усложняет управление установкой.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона технологических возможностей устройства для получения нейтрального газа. Это достигается за счет того, что устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащее компрессор и турбину, рабочие колеса которых закреплены на одном валу, камеру сгорания со смесительными устройствами, сообщенную с одной стороны с проточной частью компрессора и топливной магистралью, снабженной агрегатами регулирования подачи топлива, а с другой стороны - с проточной частью турбины и дополнительной камерой сгорания, которая сообщена с топливной системой, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения воздуха и топлива, а также с теплообменным аппаратом, подключенным к системе циркуляции охладителя и снабженным магистралью подвода нейтрального газа к потребителю, дополнительно снабжено свободной турбиной, газожидкостным смесителем и устройством осушки нейтрального газа с теплообменным аппаратом десорбционного газа, при этом вал свободной турбины связан с ротором электрогенератора, подключенного к электропотребителям, а газожидкостный смеситель соединен магистралями с линией подачи продуктов сгорания к дополнительной камере сгорания, с устройством подачи воды и через запорное устройство с потребителем парогаза, а магистраль подвода нейтрального газа к потребителю сообщена с устройством осушки нейтрального газа через трехходовой кран. Причем теплообменный аппарат десорбционного газа установлен на выходе из свободной турбины, а полость газожидкостного смесителя сообщена с выходной полостью компрессора магистралью с дросселирующим устройством.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства, где 1 - компрессор; 2 - турбина; 3 и 21 - валы; 4 и 10 - камеры сгорания; 5 - свеча; 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 17, 18, 26, 27, 31 и 32 - магистрали; 12 и 16 - теплообменные аппараты; 15 - насос воды; 19 - электродвигатель;
20 - свободная турбина;
22 - электрогенератор;
23 - устройство осушки нейтрального газа;
24 - трехходовой кран;
25 - теплообменный аппарат десорбционного газа;
28 - газожидкостный смеситель;
29 - внешний источник воды;
30 - запорное устройство;
33 - дросселирующее устройство.

Компрессор 1 предназначен для создания давления воздуха. Турбина 2 является приводом рабочего колеса компрессора 1. Рабочие колеса компрессора 1 и турбины 2 закреплены на валу 3. Камера сгорания 4, предназначенная для генерации рабочего тела турбины 2 и дополнительной камеры сгорания 10, снабжена свечой 5, обеспечивающей поджиг топливовоздушной смеси в камере сгорания 4. Камера сгорания 4 сообщена с компрессором 1 магистралью 6 и с системой регулирования подачи топлива (не показано) магистралью 7, а также с входным коллектором турбины 2 - магистралью 8 и магистралью 9 с дополнительной камерой сгорания 10, которая предназначена для генерации влажного нейтрального газа. Дополнительная камера сгорания 10 сообщена магистралью 11 с топливной системой, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения топлива и воздуха (не показано). Теплообменный аппарат 12, подключенный к системе циркуляции охладителя, предназначен для охлаждения потока влажного нейтрального газа, направляемого к потребителю, сообщен с трехходовым краном 24 магистралью 13 и магистралью 14 системы циркуляции охладителя, а также - с насосом 15, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости (воды) в теплообменных аппаратах 12 и 16.

Теплообменный аппарат 16 предназначен для охлаждения потока воды, истекающего из теплообменного аппарата 12, атмосферным воздухом и сообщен с теплообменным аппаратом 12 магистралью 17, а магистралью 18 - с насосом 15, который приводится в движение с помощью электродвигателя 19.

Свободная турбина 20, закрепленная на валу 21, который связан с ротором электрогенератора 22, является приводом электрогенератора 22, предназначенного для обеспечения электроэнергией всех электропотребителей устройства для получения нейтрального газа.

Устройство осушки нейтрального газа 23 с теплообменным аппаратом десорбционного газа 25 предназначено для адсорбирования водяных паров из полученного влажного нейтрального газа и предусматривает поочередную регенерацию адсорберов методом продувки их горячим десорбционным газом, подогреваемым в теплообменном аппарате 25, который размещен на выходе из свободной турбины 20 и сообщен с устройством осушки нейтрального газа 23 магистралью 26, предназначенной для подвода холодного десорбционного газа (осушенного нейтрального газа) и магистралью 27, предназначенной для подвода горячего десорбционного газа к регенерируемому адсорберу устройства осушки нейтрального газа 23.

Трехходовой кран 24 предназначен для переключения потока влажного нейтрального газа либо непосредственно к потребителю (летом), либо - на осушку в устройство осушки нейтрального газа 23 (зимой).

Газожидкостный смеситель 28 предназначен для смешивания потока воды от внешнего источника воды 29 и потока продуктов сгорания из магистрали 31, соединяющей его с камерой сгорания 4 для получения парогаза, который подается к потребителю через запорное устройство 30.

Газожидкостный смеситель сообщен с выходным коллектором компрессора 1 магистралью 32 с дросселирующим устройством 33.

Устройство работает следующим образом.

Системой запуска (не показана) выполняется раскрутка рабочего колеса турбины 2, а вместе с ним - рабочего колеса компрессора 1. При этом атмосферный воздух поступает в компрессор 1 и из него, по магистрали 6 попадает в камеру сгорания 4, а по магистрали 7 в камеру сгорания 4 подается топливо, расходом которого (для обеспечения заданной частоты вращения рабочего колеса турбины 2) управляет система регулирования подачи топлива (не показана). Поджиг полученной топливовоздушной смеси обеспечивается свечой 5, размещенной в полости камеры сгорания 4, где происходит горение топливовоздушной смеси и охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры. Полученные продукты сгорания содержат избыток кислорода. Из камеры сгорания 4 по магистрали 8 часть продуктов сгорания подается на турбину 2 и далее на свободную турбину 20, а часть продуктов сгорания по магистрали 9 подается в дополнительную камеру сгорания 10, куда по магистрали 11 подается топливо. В дополнительной камере сгорания 10 происходит дожигание продуктов сгорания до заданного содержания кислорода (менее 1%). Получение заданного состава продуктов сгорания в дополнительной камере сгорания 10 достигается изменением расхода топлива с помощью устройства обеспечения стехиометрического соотношения топлива и воздуха.

Поджиг газотопливной смеси аналогичен описанному ранее. Полученные продукты сгорания являются влажным нейтральным газом, которые проходя через теплообменный аппарат 12, охлаждаемый водой, достигают заданной температуры и могут быть транспортированы через трехходовой кран 24 либо - непосредственно к потребителю (летом), либо - на последующую осушку в устройство осушки нейтрального газа 23 (зимой). Устройство осушки нейтрального газа 23 включает два адсорбера, работающих поочередно: один - в режиме осушки, другой - в режиме регенерации. Регенерация осуществляется продувкой адсорбера горячим десорбционным газом при пониженном давлении. В качестве десорбционного газа используется 20-25% осушенного нейтрального газа, который подогревается в теплообменном аппарате десорбционного газа 25, обдуваемом потоком горячего газа, истекающего из выхлопного патрубка свободной турбины 20.

Для генерации парогаза открывается запорное устройство 30 и от внешнего источника в газожидкостный смеситель 28 подается вода, где она смешивается с продуктами сгорания и испаряется за счет их высокой температуры. Температура парогаза регулируется изменением расхода воды. При отключении внешнего источника воды к потребителю поступают продукты сгорания, температура которых регулируется изменением расхода воздуха, поступающего из компрессора 1 по магистрали 32 с дросселирующим устройством 33.

Таким образом реализация предлагаемого устройства позволит создать технологический комплекс оборудования с высоким уровнем эксплуатационных параметров и широкой областью применения.

Формула изобретения

1. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащее компрессор и турбину, рабочие колеса которых закреплены на одном валу, камеру сгорания со смесительными устройствами, сообщенную с одной стороны с проточной частью компрессора и топливной магистралью, снабженной агрегатами регулирования подачи топлива, а с другой стороны - с проточной частью турбины и дополнительной камерой сгорания, которая сообщена с топливной системой, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения воздуха и топлива, а также с теплообменным аппаратом, подключенным к системе циркуляции охладителя и снабженным магистралью подвода нейтрального газа к потребителю, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено свободной турбиной, газожидкостным смесителем и устройством осушки нейтрального газа с теплообменным аппаратом десорбционного газа, при этом вал свободной турбины связан с ротором электрогенератора, подключенного к электропотребителям, а газожидкостный смеситель соединен магистралями с линией подачи продуктов сгорания к дополнительной камере сгорания, с устройством подачи воды и, через запорное устройство, с потребителем парогаза, а магистраль подвода нейтрального газа к потребителю сообщена с устройством осушки нейтрального газа через трехходовой кран.

2. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины по п. 1, отличающееся тем, что в нем теплообменный аппарат десорбционного газа размещен на выходе из свободной турбины.

3. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины по п.1, отличающееся тем, что в нем полость газожидкостного смесителя соединена магистралью, снабженной дросселирующим устройством, с выходной полостью компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1