Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения

Изобретение относится к энергетике. В способе работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе низкокипящего рабочего тела, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе, расширяют в турбодетандере, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере используют турбодетандер с сепарирующей установкой для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор для охлаждения низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ. Изобретение позволяет повысить КПД комбинированной газотурбинной установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к комбинированным газотурбинным установкам и может быть использовано в энергетике, газовой промышленности, преимущественно в наземных установках для комбинированной выработки электроэнергии, промышленного холода и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов за счет использования энергии перепада давления природного газа на входе и выходе газораспределительных станций и газорегуляторных пунктов.

Известен способ работы газораспределительной станции, реализуемый системой газораспределения, содержащей магистрали высокого и низкого давления природного газа, соединенные между собой при помощи редуцирующего устройства и через байпасный газопровод, в котором последовательно установлены газотурбинная установка и теплоутилизирующая турбодетандерная установка, которая имеет электрогенератор, соединенный с потребителем электроэнергии (патент RU №2009389, МПК F17D 1/04, 15.03.1994).

Основным недостатком известного способа работы газораспределительной станции является недостаточно высокий коэффициент полезного действия (до 45%), связанный с особенностями термодинамического цикла газотурбинной установки с регенерацией тепла.

Омывание природного газа в теплообменнике-утилизаторе высокотемпературным потоком продуктов сгорания (350…500°C) газотурбинного двигателя приводит к пиролизу природного газа и ухудшает его физические и термодинамические свойства.

Дросселирование газотурбинного двигателя за счет регулирования температуры в камере сгорания приводит (на режимах пониженной мощности) к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания.

Кроме этого, недостатком известного способа работы газораспределительной станции являются ограниченные функциональные возможности, так как он не позволяет вырабатывать конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.

Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, заключающийся в выработке электрической энергии в турбодетандере при расширении природного газа высокого давления, в выработке электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя, утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя и использовании низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника, при этом 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 (патент RU №2199020, МПК F02C 6/00, 20.02.2003).

Основным недостатком известного способа работы комбинированной газотурбинной установки является недостаточно высокий коэффициент полезного действия (до 60%), обусловленный необходимостью нагрева в теплообменнике-утилизаторе рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по циклу Брайтона без изменения фазового состояния рабочего тела. При этом замкнутый контур циркуляции характеризуется низким эффективным коэффициентом полезного действия (КПД), равным 23,2%, при использовании низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника для охлаждения рабочего тела.

Причем недостаточно высокий КПД известного технического решения приводит к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания.

Также недостатком известного способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения являются ограниченные функциональные возможности, так как он не позволяет вырабатывать конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия способа работы комбинированной газотурбинной установки, снижение при этом вредных выбросов в окружающую среду за счет использования теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, а также расширение функциональных возможностей за счет выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.

Технический результат достигается тем, что в способе работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, заключающемся в выработке электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя, в выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, в выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере при расширении природного газа высокого давления, в выработке электрической энергии в теплоутилизирующем турбодетандере при расширении природного газа высокого давления, утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя, при этом утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, причем рабочее тело теплового двигателя сжимают для повышения его давления, а охлаждение рабочего тела ведут в низкотемпературном теплообменнике низкотемпературным природным газом после энергоутилизационного турбодетандера, согласно предлагаемому изобретению при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе низкокипящего рабочего тела, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе, расширяют в турбодетандере, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере используют турбодетандер с сепарирующей установкой для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор для охлаждения низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ.

В качестве низкокипящего рабочего тела может быть использован этанол или метанол.

Таким образом, основным техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и снижение вредных выбросов в окружающую среду благодаря утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя с использованием низкокипящего рабочего тела с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина с изменением фазового состояния низкокипящего рабочего тела (газ-жидкость) и охлаждаемого низкотемпературным природным газом, выполнению теплоутилизирующего турбодетандера с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела, а также расширение функциональных возможностей благодаря возможности выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, реализующей предлагаемый способ работы, а на фиг.2 представлен термодинамический цикл Ренкина в T-s диаграмме для низкокипящего рабочего тела (этанола) с замкнутым контуром циркуляции.

На чертеже цифрами обозначены:

1 - газотурбинный двигатель,

2 - тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции,

3 - энергоутилизационный турбодетандер,

4 - теплоутилизирующий турбодетандер,

5 - магистраль газопровода высокого давления,

6 - магистраль газопровода низкого давления,

7 - электрогенератор газотурбинного двигателя,

8 - электрогенератор теплового двигателя,

9 - электрогенератор энергоутилизационного турбодетандера,

10 - электрогенератор теплоутилизирующего турбодетандера,

11 - входное устройство,

12 - воздушный компрессор,

13 - камера сгорания,

14 - газовая турбина,

15 - силовая турбина,

16 - вал силовой турбины,

17 - теплообменник-утилизатор,

18 - турбодетандер с низкокипящим рабочим телом,

19 - низкотемпературный теплообменник-конденсатор,

20 - конденсатный насос,

21 - сепарирующая установка,

22 - сепаратор-отделитель жидкой фазы низкотемпературного природного газа,

23 - сепаратор-отделитель жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций,

24 - ресивер сжиженной фракции тяжелых углеводородов,

25 - дозатор конденсата.

Комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения (фиг.1) содержит газотурбинный двигатель 1, тепловой двигатель 2 с замкнутым контуром циркуляции, энергоутилизационный турбодетандер 3 для выработки электроэнергии при расширении природного газа высокого давления, теплоутилизирующий турбодетандер 4, а также магистраль 5 газопровода высокого давления, соединенную с входом энергоутилизационного турбодетандера 3, и магистраль 6 газопровода низкого давления, соединенную с выходом теплоутилизирующего турбодетандера 4.

Газотурбинный двигатель 1, тепловой двигатель 2 с замкнутым контуром циркуляции, энергоутилизационный турбодетандер 3 и теплоутилизирующий турбодетандер 4 имеют соответственно электрогенераторы 7, 8, 9 и 10.

Газотурбинный двигатель 1 имеет входное устройство 11, воздушный компрессор 12, камеру сгорания 13, газовую турбину 14, свободную турбину 15 с валом 16 и установленный в ее тракте теплообменник-утилизатор 17.

В предлагаемой комбинированной газотурбинной установке системы газораспределения в качестве теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции используют тепловой двигатель на низкокипящем рабочем теле с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и включающего турбодетандер 18, низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 и конденсатный насос 20.

Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя на низкокипящем рабочем теле образован в результате следующих соединений:

выход конденсатного насоса 20 соединен с входом теплообменника-утилизатора 17;

выход теплообменника-утилизатора 17 соединен с входом турбодетандера 18;

выход турбодетандера 18 соединен с первым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19;

первый выход низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 соединен с конденсатным насосом 20.

Энергоутилизационный турбодетандер 3 снабжен сепарирующей установкой 21, включающей последовательно установленные сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа, сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций и ресивер 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов.

Выход энергоутилизационного турбодетандера 3 соединен с входом сепаратора-отделителя 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа.

Выход ресивера 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов через дозатор 25 соединен с камерой сгорания 13 газотурбинного двигателя 1.

Выход сепаратора-отделителя 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа соединен с вторым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19.

Второй выход низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 соединен с входом теплоутилизирующего турбодетандера 4.

Теплоутилизирующий турбодетандер 4 выполнен с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела. В качестве низкокипящего рабочего тела используют этанол или метанол. Сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций выполнен с возможностью отвода примесей и твердых частиц.

Согласно предлагаемому способу работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения вырабатывают электрическую энергию с помощью газотурбинного двигателя 1, посредством теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, в энергоутилизационном турбодетандере 3 при расширении природного газа высокого давления и в теплоутилизирующем турбодетандере 4 при расширении природного газа высокого давления, осуществляют утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе 17 рабочего тела теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, причем рабочее тело теплового двигателя 2 сжимают для повышения его давления, а охлаждение рабочего тела ведут в низкотемпературном теплообменнике низкотемпературным природным газом после энергоутилизационного турбодетандера 3.

Отличием предлагаемого способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения является то, что при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя 2 в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе 17 низкокипящего рабочего тела, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе 20, расширяют в турбодетандере 18, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе 19, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере 3 используют турбодетандер с сепарирующей установкой 21 для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 для охлаждения низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания 13 газотурбинного двигателя 1, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ.

В качестве низкокипящего рабочего тела может быть использован этанол или метанол.

Предлагаемая комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения работает следующим образом.

Природный газ забирают из магистрали 5 газопровода высокого давления и направляют на расширение в энергоутилизационный турбодетандер 3, снабженный сепарирующей установкой 21 для выработки низкотемпературного природного газа, используемого для охлаждения низкокипящего рабочего тела (этанола) теплового двигателя 2, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, используемого для сжигания в камере сгорания 13 газотурбинного двигателя 1.

При выработке электроэнергии в энергоутилизационном турбодетандере 3 происходит срабатывание избыточного давления природного газа, что сопровождается резким снижением температуры газа. Это становится причиной выпадения твердых гидратов воды, углекислого газа CO2 и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов. Мощность энергоутилизационного турбодетандера 3 передается соединенному на одном валу электрогенератору 9.

На выходе из энергоутилизационного турбодетандера 3 низкотемпературный природный газ содержит сжиженные фракции тяжелых углеводородов с примесью гидратов воды и CO2.

Далее низкотемпературный природный газ направляют в сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа сепарирующей установки 21.

Конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов с примесью гидратов воды и CO2, отсепарированный в сепараторе-отделителе 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа, направляют в сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций для извлечения примесей и твердых частиц и их удаления через имеющийся отвод примесей и твердых частиц.

Очищенный конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов направляют в ресивер 24.

Выработанный конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов может использоваться для сжигания в камере сгорания 13 газотурбинного двигателя 1 посредством подачи его из ресивера 24 через дозатор 25 конденсата.

При этом использование конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов позволяет охлаждать стенки жаровых труб в процессе испарения конденсата в пристенной зоне камере сгорания 13.

Выполнение жаровой трубы камеры сгорания 13 с испарительной камерой, которая образована двумя концентрично расположенными стенками жаровой трубы (на чертеже условно не показаны), позволяет улучшить теплоотвод от нагретых стенок жаровой трубы. При этом повышается эффективность использования конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов при его испарении и газификации непосредственно в испарительной камере, обеспечивая тем самым снижение термических напряжений в стенках жаровой трубы, возникающих вследствие перепадов температур на стенках жаровых труб. Кроме этого, повышается надежность работы камеры сгорания 13 и ресурс газотурбинного двигателя 1.

При выработке электроэнергии в газотурбинном двигателе 1 наружный воздух последовательно проходит входное устройство 11, компрессор 12, камеру сгорания 13, газовую турбину 14 и силовую турбину 15. Мощность силовой турбины 15 передается соединенному на одном валу 16 основному электрогенератору 7. Выхлопные газы направляют в теплообменник-утилизатор 17.

Преобразование тепловой энергии выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 в механическую энергию и далее в электрическую происходит в тепловом двигателе 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Весь процесс начинается с подачи сжиженного низкокипящего рабочего тела (этанола) из расходного баллона, который на чертеже условно не показан, на сжатие в конденсатный насос 20 (процесс I-II на фиг.2).

Низкокипящее рабочее тело под давлением направляют на подогрев в теплообменник-утилизатор 17 (процесс II-III), куда поступают выхлопные газы газотурбинного двигателя 1.

Температура кипения низкокипящего рабочего тела (этанола) сравнительна низка (78,24°C при нормальных условиях), поэтому в теплообменнике-утилизаторе 17 он быстро переходит в газообразное состояние (процесс III-IV), после чего, имея температуру перегретого газа, направляется в турбодетандер 18 с низкокипящим рабочим телом.

Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 18 не происходит конденсации низкокипящего рабочего тела в ходе срабатывания теплоперепада (процесс IV-V). Мощность турбодетандера 18 передается соединенному на одном валу электрогенератору 8. На выходе из турбодетандера 18 низкокипящее рабочее тело (этанол) имеет температуру около 79,29°C с влажностью, не превышающей 7%.

Температуру низкокипящего рабочего тела снижают в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе 19 (процесс V-I), охлаждаемом низкотемпературным природным газом, выработанным в сепарирующей установке 21.

После низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 в сжиженном состоянии низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе 20 (процесс I-II) и направляют на подогрев и испарение в теплообменник-утилизатор 17 газотурбинного двигателя 1.

Низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, охлаждают низкотемпературным природным газом, вырабатываемым в сепараторе-отделителе 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа сепарирующей установки 21.

В процессе теплообмена низкотемпературного природного газа с низкокипящим рабочим телом происходит конденсация низкокипящего рабочего тела с выделением скрытой теплоты парообразования.

Низкотемпературный природный газ, нагретый скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе 19, направляют в теплоутилизирующий турбодетандер 4 для утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа при его расширении в турбодетандере 4, который на выходе соединен с магистралью 6 газопровода низкого давления природного газа. Мощность теплоутилизирующего турбодетандера 4 передается соединенному на одном валу электрогенератору 10.

Пример конкретного выполнения.

Предлагаемая комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения, содержащая газотурбинный двигатель 1 (ГТД) типа НК-16СТ, имеет следующие параметры термодинамического цикла:

температуру воздуха на входе в компрессор 12 Tв=288,15 К,

расход циклового воздуха 99,98 кг/с,

степень повышения давления в компрессоре 12 πк=9,1327,

температуру в камере сгорания 13 Ткс=1086 К,

расход топливного газа в камере сгорания 1,3441 кг/с,

температуру продуктов сгорания перед силовой турбиной 15 Тг=807 К,

температуру продуктов сгорания на выхлопе Тг=663,33 К,

расход продуктов сгорания на выхлопе 100,67 кг/с,

эффективный КПД ηе=0,277.

Применение указанного ГТД позволяет получить эффективную мощность на валу 16 силовой турбины 15 для привода электрогенератора 7, равную 16 МВт.

Для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 в теплообменнике-утилизаторе 17 используют низкокипящее рабочее тело (этанол) теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, охлаждаемого низкотемпературным природным газом, включающего следующие элементы:

теплообменник-утилизатор 17 выхлопных газов с параметрами:

выхлопные газы на входе Тг=663,33 К, Gг=100,67 кг/с,

выхлопные газы на выходе Тг=388,15 К, Gг=100,67 кг/с,

сжиженный этанол на входе Тнрт=359,19 К, Рнрт=32 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

перегретый газ этанол на выходе Тнрт=625 К, Рнрт=30 МПа, Gнрт=27,7 кг/с;

турбодетандер 18, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87, с параметрами:

перегретый газ этанол на входе Тнрт=625 К, Рнрт=30 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

влажный газ этанол на выходе Тнрт=352,44 К, Рнрт=0,1056 МПа,

мощность для привода электрогенератора 8 равна 7,595 МВт;

низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 с параметрами:

влажный газ этанол на входе Тнрт=352,44 К, Рнрт=0,1056 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

сжиженный этанол на выходе Тнрт=351 К, Рнрт=0,1014 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

отсепарированный низкотемпературный природный газ на входе Тнг=238,5 К, Рнг=3,15 МПа, Gпг=90,7 кг/с,

природный газ на выходе Тпг=337,15 К, Рпг=3 МПа, Gпг=90,7 кг/с;

конденсатный насос 20 с параметрами:

сжиженный этанол на входе Тнрт=351 К, Рнрт=0,1014 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

сжиженный этанол на выходе Tнрт=359,19 К, Рнрт=32 МПа, Gнрт=27,7 кг/с,

потребляемая мощность равна 1,415 МВт.

Для понижения давления транспортируемого природного газа при начальном давлении 7,5 МПа и расходе в 100 кг/с, имеющего средний объемный состав, (%): СН4 - 92; С2Н6 - 1; С3Н8 - 2; С4Н10 - 2,5; C5H12 - 1,5; H2O - 0,5; CO2 - 0,5; используются:

энергоутилизационный турбодетандер 3, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87, с параметрами:

природный газ на входе Тпг=288,15 К, Рнрт=7,5 МПа,

низкотемпературный природный газ на выходе Тпг=237 К, Рнрт=3,3 МПа,

мощность для привода электрогенератора 9 равна 7,425 МВт;

теплоутилизирующий турбодетандер 4, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87, с параметрами:

на входе Tпг=337,15 К, Рпг=3 МПа, Gпг=90,7 кг/с;

на выходе Тпг=281,1 К, Рпг=1,25 МПа,

мощность для привода электрогенератора 10 равна 10,253 МВт.

Для выработки низкотемпературного природного газа и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов используют сепарирующую установку 21, включающую следующие элементы:

сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа с параметрами:

низкотемпературный природный газ на входе Тпг=237 К, Рпг=3,3 МПа,

отсепарированный низкотемпературный природный газ на выходе Тпг=238,5 К, Tнрт=3,15 МПа,

расход отсепарированного низкотемпературного природного газа на выходе Gпг=90,7 кг/с,

расход конденсата на выходе Gк=9,3 кг/с;

сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций с параметрами:

конденсат на входе Тк=238,5 К, Рк=3,15 МПа,

очищенный конденсат на выходе Ток=240 К, Рок=2,7 МПа,

расход очищенного конденсата Gок=8,37 кг/с,

расход примесей и твердых частиц на выходе Gпр=0,93 кг/с;

ресивер 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов для хранения очищенного конденсата с параметрами:

очищенный конденсат на входе Ток=240 К, Рок=2,7 МПа,

расход очищенного конденсата Gок=8,37 кг/с.

В целом, при расходе природного газа, равном 100 кг/с, и начальным давлением 7,5 МПа суммарная электрическая мощность комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, реализующей предлагаемой способ работы, затрачиваемая на привод электрогенераторов 7, 8, 9, 10 с учетом затрат на привод конденсатного насоса 20, составляет 39,698 МВт, а эффективный КПД предлагаемого способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения составляет 0,687.

Использование более экономичных газотурбинных двигателей 1, например ГТД типа АЛ-31Ф с эффективным КПД ηe=0,389, приведет к еще большому увеличению эффективного КПД предлагаемого способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.

Таким образом, по сравнению с прототипом при сохранении надежности функционирования использование теплового двигателя 2 на низкокипящем рабочем теле с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, а также выполнение теплоутилизирующего турбодетандера с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела, приводит к повышению коэффициента полезного действия (до 80%) и снижению вредных выбросов в окружающую среду предлагаемого способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.

Использование сепарирующей установки 21 для получения конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов позволяет расширить функциональные возможности предлагаемого способа работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.

Предлагаемый способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения позволяет 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 газораспределительных пунктов, а также осуществить утилизацию: теплоты продуктов сгорания газотурбинного двигателя, физической эксергии природного газа, транспортируемого по магистральным трубопроводам под высоким давлением.

1. Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, заключающийся в выработке электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя, в выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, в выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере при расширении природного газа высокого давления, утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя, при этом утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют в теплообменнике-утилизаторе рабочим телом теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, причем рабочее тело теплового двигателя сжимают для повышения его давления, а охлаждение рабочего тела ведут в низкотемпературном теплообменнике низкотемпературным природным газом после энергоутилизационного турбодетандера, отличающийся тем, что при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем испарения низкокипящего рабочего тела в теплообменнике-утилизаторе, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе, расширяют в турбодетандере, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере используют турбодетандер с сепарирующей установкой для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор для конденсации низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ высокого давления, который направляют на расширение в теплоутилизирующий турбодетандер для выработки электроэнергии.

2. Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения по п.1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего рабочего тела используют этанол или метанол.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным газотурбинным двигателям. В способе серийного производства ГТД изготавливают детали и комплектуют сборочные единицы, элементы и узлы модулей и систем двигателя.

Изобретение относится к горелке промежуточного подогрева, содержащей проточный канал для потока горячего газа с трубкой, расположенной вдоль указанного проточного канала, выступающей в проточный канал для впрыскивания топлива на плоскость впрыска, перпендикулярную продольной оси канала, причем канал и трубка образуют область образования завихрений выше по потоку от плоскости впрыска и область смешивания ниже по потоку от плоскости впрыска в направлении потока горячего газа.

Изобретение относится к энергетике. Форсунка смесительной головки парогазогенератора содержит как минимум полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, характеризующаяся тем, что на наружной поверхности наконечника форсунки выполнены ребра, взаимодействующие своей наружной частью с внутренней поверхностью втулки, при этом наружная выходная часть втулки выполнена ступенчатой, с увеличением диаметра ее наружной поверхности, причем в ступенчатом расширении втулки выполнены каналы, соединяющие полость балластирующего компонента, преимущественно воды, с зоной горения.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергетических установках для выработки парогазовых смесей. Задачей изобретения является повышение однородности температурного поля парогазовой смеси на выходе за счет интенсификации процесса испарения балластирующего компонента.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в парогазогенераторах. Задачей изобретения является повышение однородности температурного поля парогазовой смеси на выходе за счет интенсификации процесса испарения баллистирующего компонента.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии при утилизации топлива путем сжигания его в факелах, в частности к энергетическим установкам малой мощности.

Использование: энергетические газотурбодетандерные установки с использованием избыточного давления топливного газа могут быть применены для электроснабжения компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов.

Изобретение относится к технологии переработки углеводородов, к способам и устройствам для переработки углеводородного газа в стабильные жидкие синтетические нефтепродукты.

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, газовую турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, камеру сгорания, источник топлива и трубопроводные вентили.

Устройство и способ работы авиационного газотурбинного двигателя включающий процесс сжатия в компрессорах, подвода тепла в камере сгорания, расширения на турбинах и реактивном сопле.

Изобретение относится к энергетике. Способ включает в себя сжатие газообразного рабочего тела - воздуха, подогрев сжатого рабочего тела путем сжигания топлива, расширение подогретого рабочего тела, утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара, подвод полученного пара в газовый тракт, конденсацию пара и извлечение воды из продуктов сгорания. Рабочий процесс осуществляется в двух газовых трактах, с раздельными выхлопами. Пар генерируют в котле-утилизаторе, а затем подводят в промежуточные ступени газопаротурбинной установки для охлаждения дисков и лопаток рабочих колес и для увеличения расхода рабочей среды, а также в камеры сгорания. Конденсацию пара из отборов и извлечение воды из продуктов сгорания осуществляют в двух сетевых подогревателях, в которых происходит нагрев сетевой воды для нужд теплового потребителя и в трехступенчатом пароструйном эжекторе, в который подается пар из котла-утилизатора, образующийся при этом конденсат подвергают очистке в деаэраторе и конденсатоочистном устройстве, а затем направляют в котел-утилизатор. Изобретение позволяет повысить КПД установки, увеличить мощность путем увеличения расхода рабочей среды. 1 ил.

Группа изобретений относится к энергетике Способ работы газотурбинной установки предусматривает подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и паро-метановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газовой турбине, охлаждение путем испарения или перегрева водяного пара, направляемого в газотурбинную установку, где поступающий природный газ смешивают с водяным паром высокого давления с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают потоком указанных продуктов сгорания в теплообменнике, пропускают через каталитический реактор реформирования метана с образованием на выходе паро-метановодородной смеси, подаваемой в камеру сгорания газотурбинной установки, повышают температуру теплообменных процессов газотурбинной установки путем дополнительного сжигания топлива в потоке продуктов сгорания паро-метановодородной смеси, отбираемом на выходе из дополнительной свободной силовой газовой турбины, а перед подачей в камеру сгорания паро-метановодородной смеси ее предварительно охлаждают до температуры, не превышающей температурный диапазон 200+240°С, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, конденсат отделяют, испаряют и расходуют при подготовке метансодержащей парогазовой смеси и водяного пара низкого давления, который пропускают через дополнительную свободную силовую газовую турбину. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики газотурбинной установки путем наиболее полного использования энергии отводимых продуктов сгорания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Способ эксплуатации газовой турбины с последовательным сгоранием и низкими выбросами СО заключается в том, что нагретые газы от первой камеры сгорания попадают на первую турбину, а нагретые газы второй камеры сгорания, подключаемой к первой турбине, попадают на вторую турбину. При этом коэффициент избытка воздуха работающих форсунок второй камеры сгорания поддерживают ниже максимального коэффициента избытка воздуха, причем максимальный коэффициент избытка воздуха зависит от температуры на впуске форсунки и предельных выбросов СО. Для снижения максимального коэффициента избытка воздуха осуществляется ряд изменений технического решения газовой турбины отдельно или в сочетании. Газовая турбина содержит в по меньшей мере одном подводящем топливном трубопроводе для по меньшей мере одной форсунки второй камеры сгорания отдельный клапан переключения или отдельный регулирующий клапан. Газовая турбина также может содержать систему распределения топлива, выполненную с первым и вторым клапанами регулирования подачи топлива, а также с первым и вторым кольцевыми топливными трубопроводами для распределения топлива форсункам соответственно первого и второго узлов форсунок. Изобретение направлено на работу газовой турбины со сниженными выбросами СО. 4 н. и 19 з.п ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к энергетическим системам, в которых применяются органические циклы Ренкина для производства электрической энергии при сжигании различных видов топлива. В качестве теплоутилизационной парогенераторной установки используют установку на основе органического цикла Ренкина с электрогенератором, а в качестве промежуточного контура использования теплоты отработанных газов газовой турбины используют замкнутый контур с диатермическим маслом, который имеет в своем составе два теплообменника и циркуляционный насос, при этом через один теплообменник проходит линия отвода отработанных газов газовой турбины, а через второй теплообменник - линия установки на основе органического цикла Ренкина, при этом к электрогенератору установки на основе органического цикла Ренкина подключены внутренние потребители электрической энергии газоперекачивающей станции. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания природного газа на магистральных газоперекачивающих станциях за счет получения дополнительной электрической энергии путем преобразования теплоты отработанных газов в установке на основе органического цикла Ренкина и снижение материальных затрат для обеспечения электроэнергией внутренних потребителей газоперекачивающих станций. 1 ил.

Предложено устройство (200) для сжатия газа для применения с потоком (230) газа. Устройство (200) для сжатия газа может включать ряд компрессоров, один или несколько эжекторов (270), конденсатор (350), расположенный по потоку после одного или нескольких эжекторов (270), и источник (205) отходящего тепла. Возвращаемая часть (390) потока (230) газа может сообщаться с одним или несколькими эжекторами (270) через источник (205) отходящего тепла. При этом каждый из одного или нескольких эжекторов (270) включает рабочее впускное отверстие (280), сообщающееся с возвращаемой частью (390) потока (230) газа, и всасывающее отверстие (300), сообщающееся с потоком (230) газа. Изобретение направлено на уменьшение паразитной нагрузки и на повышение чистой выработки электроэнергии электростанцией. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области энергетики. Способ работы газотурбинной установки, включающей дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом. Рабочее тело-воздух первого контура после входного устройства охлаждают в первом теплообменном аппарате, далее после сжатия в компрессоре низкого давления и последующего охлаждения рабочего тела во втором теплообменном аппарате, рабочее тело расширяют до отрицательной температуры в турбодетандере и охлаждают в расположенном за ним третьем теплообменном аппарате, после сжатия в компрессоре высокого давления, горения в камере сгорания, расширения в турбинах высокого, низкого давлений, в силовой турбине и вращения привода потребителя отработавшие газы основного контура направляют в теплообменный аппарат дополнительного контура, куда одновременно подают низкокипящее рабочее тело, подогревают его отработавшими газами основного контура для срабатывания теплоперепада в турбине дополнительного контура, после чего низкокипящее рабочее тело из-за турбины подают в вышеупомянутый третий теплообменный аппарат перед компрессором высокого давления основного контура и далее в циркуляционный насос, где низкокипящее рабочее тело сжимается, и в жидком состоянии его подают для охлаждения рабочего тела-воздуха в теплообменные аппараты основного контура. Позволяет повысить КПД установки и увеличить полезную работу цикла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газотурбинным установкам, и может быть использовано в качестве судовой энергетической установки с применением природного газа как альтернативного дешевого и экологически чистого вида топлива. Из криогенной емкости сжиженный природный газ криогенным насосом через испаритель подается в камеру сгорания для его сжигания. Воздух по магистрали атмосферного воздуха через испаритель и воздушный компрессор подается в камеру сгорания . Из камеры сгорания уходящие газы поступают в силовую турбину, где производят полезную работу и вращают вал. Вал связан через редуктор с гребным валом. За счет тепла уходящих газов в теплообменнике-испарителе органическое рабочее тело испаряется и поступает в паровую турбину, в которой производится полезная механическая энергия, передаваемая валу. Изобретение позволяет повысить энергетическую эффективность, снизить количество вредных компонентов в уходящих газах судовой газотурбинной установки, а также упростить установку, снизить массу и габариты судовой газотурбинной установки. 1 ил.

Изобретение относится к энергетике. Система активации топливного газа, содержащая активатор со средством активации, установленным на корпусе активатора, имеющем полость активации, и соединенным с источником энергии, отличающаяся тем, что средство активации выполнено с возможностью лазерного излучения в полость активации, а на внутренней стенке корпуса активатора установлена система зеркал. Также представлен активатор топлива. Изобретение позволяет повысить надежность средства активации топлива, а также позволяет обеспечить его ремонтопригодность. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 14 ил.

Газоперекачивающий агрегат содержит воздушный тракт, содержащий, в свою очередь, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, свободную турбину, соединенную с газовым компрессором и систему подачи топливного газа в камеру сгорания с топливопроводом. Система подачи топливного газа содержит электролизер воды и смеситель водорода и кислорода с топливным газом, установленный перед камерой сгорания. Изобретение направлено на повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, используемого в качестве привода газоперекачивающего агрегата на природном газе за счет повышения полноты сгорания топлива в газотурбинном двигателе, улучшение его удельных характеристик и уменьшение эмиссии вредных веществ. 17 з.п. ф-лы, 24 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при разработке или реконструкции многовальных газотурбинных установок (ГТУ), предназначенных для привода нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и автономного электроснабжения компрессорных станций с этими ГПА. Приводная ГТУ ГПА с утилизационной турбоустановкой автономного электроснабжения содержит многовальный ГТД 1 с основным компрессором 7, приводной турбиной 8, силовой турбиной 9 и утилизационной турбоустановкой (УТУ), содержащей воздухоподогреватель 2, сообщенный на входе по греющему газу с выходом силовой турбины 9 по выхлопным газам, компрессор 3, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, турбогенератор 4, снабженный устройством преобразования (преобразователем) частоты генератора переменного тока (ПЧГ) 11, выполненным с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды и электрически связанным на выходе по напряжению через распределительное устройство 17 с потребителями переменного тока постоянной частоты 50 (60) Гц, воздушную турбину 5, сообщенную на входе по воздуху через тракт воздухоподогревателя 2 по воздуху с выходом компрессора 3 по воздуху, на выходе по воздуху – с атмосферой, установленную на одном валу с компрессором 3 и турбогенератором 4 – валу 6, кинематически связанном через муфту 10 с валом основного компрессора 7 со стороны входа основного компрессора 7 по воздуху, газоохладитель 12 и дымосос 13, сообщенный на входе по газу через тракт газоохладителя 12 по охлаждаемому газу с выходом воздухоподогревателя 2 по газу, на выходе по газу – с атмосферой. Дымосос 13 снабжен приводным электродвигателем 14 с преобразователем частоты 15, электрически связанным электрической цепью 16 с выходом турбогенератора 4 по напряжению переменной частоты либо с выходом ПЧГ 11 по напряжению постоянной частоты. Техническим результатом является обеспечение примерного равенства расходов теплоносителей в воздухоподогревателе УТУ, а также передачи избыточной по сравнению с текущим электропотреблением мощности УТУ, а в холодный период – и избыточной мощности приводной турбины ГТД на силовой вал ГТД с целью повышения КПД ГТУ и годовой эффективности ГТУ с УТУ в целом. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике. В способе работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе низкокипящего рабочего тела, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе, расширяют в турбодетандере, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере используют турбодетандер с сепарирующей установкой для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор для охлаждения низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ. Изобретение позволяет повысить КПД комбинированной газотурбинной установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх