RU176799U1

RU176799U1 - GAS DISTRIBUTION STATION WITH A DETANDER-COMPRESSOR GAS TURBINE POWER INSTALLATION

Info

Publication number: RU176799U1
Application number: RU2016132948U
Authority: RU
Inventors: Станислав Викторович Жавроцкий; Александр Сергеевич Стребков; Александр Вадимович Осипов; Илья Сергеевич Каштанов
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-01-29

Abstract

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки.Полезная модель может быть использована на газораспределительных станциях с энергетической установкой.Сущность полезной модели: газораспределительная станция содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, турбодетандер 4, кинематически связанный с воздушным компрессором 5, силовую газовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7, камеру сгорания 8, теплообменник-утилизатор 9 выхлопных газов силовой газовой турбины, а также входной газопровод 10, выходной газопровод 11, всасывающий 12 и напорный 13 воздухопроводы, газопровод к камере сгорания 14, трубопровод продуктов сгорания 15, трубопровод выхлопных газов 16, клапан 17 регулятора давления, поддерживающий на заданном уровне давление природного газа в выходном газопроводе после турбодетандера.The utility model relates to expander-generator and gas turbine power plants and relates to expansion plants for the production of compressed air using the excess pressure energy of natural gas transported through gas pipelines, followed by the use of compressed air in the combustion chamber of a gas turbine power plant. A useful model can be used in gas distribution stations with a power plant. The essence of a utility model: a gas distribution station contains a mag a gas pipeline 1 with a reducing device 2, a gas pipeline of reduced gas pressure 3, a turboexpander 4 kinematically connected to an air compressor 5, a power gas turbine 6, a power generator 7, a combustion chamber 8, a heat exchanger-utilizer 9 of the exhaust gases of a power gas turbine, and also an input a gas pipeline 10, an outlet gas pipe 11, a suction 12 and a pressure pipe 13, air pipes, a gas pipe to the combustion chamber 14, a pipe of combustion products 15, an exhaust gas pipe 16, a pressure regulator valve 17 supporting a predetermined level, the pressure of natural gas in the outlet gas line after the turboexpander.

Description

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки. Полезная модель может быть использована на газораспределительных станциях с энергетической установкой.The utility model relates to expander-generator and gas turbine power plants and relates to expander plants for the production of compressed air using the overpressure energy of natural gas transported through gas pipelines, followed by the use of compressed air in the combustion chamber of a gas turbine power plant. The utility model can be used at gas distribution stations with a power plant.

Известна энергетическая установка (патент на изобретение №2009389, РФ), основными элементами которой являются турбодетандер для привода электрогенератора, связанный с ним кинематически газотурбинный двигатель, теплообменник-утилизатор теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя и теплообменник-регенератор для предварительного подогрева потока природного газа перед его расширением в турбодетандере. За счет подогрева газа магистрального газопровода в теплообменнике-утилизаторе известной установки теплотой отработавшего в турбодетандере газа повышается экономичность и эффективность установки.A known power plant (patent for invention No. 2009389, Russian Federation), the main elements of which are a turboexpander for driving an electric generator, a kinematically associated gas turbine engine, a heat exchanger-heat exchanger of exhaust gases of a gas turbine engine, and a heat exchanger-regenerator for preheating the natural gas stream before expanding it in a turboexpander. Due to the heating of the gas of the main gas pipeline in the heat exchanger-utilizer of the known installation, the heat of the gas exhausted in the turboexpander increases the efficiency and efficiency of the installation.

Следует отметить следующие недостатки этой установки.The following disadvantages of this installation should be noted.

1) При наличии единой кинематической связи между четырьмя агрегатами - компрессором, газовой турбиной ГТУ, электрогенератором и турбодетандером - невозможно обеспечить оптимальные условия и параметры их совместной работы.1) If there is a single kinematic connection between the four units - a compressor, a gas turbine gas turbine, an electric generator and a turboexpander - it is impossible to provide optimal conditions and parameters for their joint operation.

2) Турбодетандер используется для частичной компенсации затрат мощности турбоагрегата ГТУ на привод компрессора, а значит, силовой потенциал топливного газа используется без учета режима работы установки. При возможных ограничениях ее мощности придется ограничивать и пропуск газа через детандер.2) The turbo expander is used to partially compensate for the power costs of the turbine unit of the gas turbine unit for the compressor drive, which means that the power potential of the fuel gas is used without taking into account the operating mode of the installation. With possible limitations of its power, it will be necessary to limit the passage of gas through the expander.

3) Режим работы ГТУ никак не согласовывается с режимами работы газотранспортной системы и системы газопотребления. Для работы ГТУ с высокой мощностью и КПД требуется значительное повышение температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину. Причем, чем выше эта температура, тем выше и температура выхлопных газов после турбины, а, значит, на всех режимах работы велик абсолютный расход природного газа на выработку электроэнергии.3) The operation mode of the gas turbine unit is in no way consistent with the operation modes of the gas transmission system and gas consumption system. For the operation of gas turbines with high power and efficiency, a significant increase in the temperature of the combustion products at the entrance to the gas turbine is required. Moreover, the higher this temperature, the higher the temperature of the exhaust gases after the turbine, which means that in all operating modes the absolute consumption of natural gas for electricity generation is high.

4) Для частичного снижения потерь теплоты выхлопных газов предусматривается использование двух теплообменников, выполняющих одну и ту же функцию предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером. Это усложняет конструкцию установки, делает ее более громоздкой и дорогой и менее надежной, в то время как можно обойтись только одним теплообменником-утилизатором теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя.4) To partially reduce the heat loss of the exhaust gases, it is envisaged to use two heat exchangers that perform the same function of preheating the natural gas stream before the turbine expander. This complicates the design of the installation, makes it more bulky and expensive and less reliable, while you can do with only one heat exchanger-heat exchanger exhaust gas turbine engine.

5) Предполагается, что поток природного газа, выходящего из турбодетандера и поступающего в газопровод сниженного давления, может быть перегрет относительно температуры газа в магистральном газопроводе до 50°С. Поскольку ГРС, как правило, располагаются на значительном удалении от технологических и энергетических агрегатов-потребителей природного газа (до 1,5 и более км) - его теплота неизбежно будет рассеяна в окружающую среду (атмосферу или грунт), а значит, данный запас физической теплоты природного газа потеряется бесполезно.5) It is assumed that the flow of natural gas leaving the turboexpander and entering the reduced pressure gas pipeline can be overheated relative to the gas temperature in the main gas pipeline to 50 ° C. Since gas distribution systems, as a rule, are located at a considerable distance from the technological and energy units consuming natural gas (up to 1.5 km or more), its heat will inevitably be dissipated into the environment (atmosphere or soil), which means that this supply of physical heat natural gas is lost uselessly.

6) Работа по предложенной схеме не соответствует соблюдению условия полной экологичности установки, при котором температура потока природного газа после турбодетандера равна температуре газа в магистральном газопроводе.6) The work according to the proposed scheme does not comply with the conditions for complete environmental friendliness of the installation, in which the temperature of the natural gas stream after the turboexpander is equal to the gas temperature in the main gas pipeline.

Задача данной полезной модели состоит в максимально эффективном использовании силового потенциала топливного газа при производстве электроэнергии на базе энергетической установки (сочетающей турбодетандерные и газотурбинные технологии) за счет снижения сопутствующего потребления топлива на предварительный подогрев газа до уровня, обеспечивающего соблюдение условия полной экологичности.The objective of this utility model is to maximize the use of the power potential of fuel gas in the production of electricity based on a power plant (combining turboexpander and gas turbine technologies) by reducing the associated fuel consumption for gas preheating to a level that ensures compliance with the full environmental friendliness condition.

Эта задача достигается тем, что в предлагаемой энергетической установке, содержащей магистральный газопровод с редуцирующим устройством, газопровод сниженного давления газа, входной газопровод с клапаном регулятора давления газа, установленный по ходу природного газа теплообменник-утилизатор теплоты выхлопных газов силовой газовой турбины, выходной газопровод, турбодетандер, кинематически связанный с ним воздушный компрессор, всасывающий и напорный воздухопроводы, газопровод к камере сгорания, трубопровод горячих газов к силовой газовой турбине, связанный с ней электрогенератор, и трубопровод, подающий выхлопные газы на теплообменник-утилизатор для предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером, механическая нагрузка вращения воздушного компрессора обеспечивается работой расширения потока природного газа в турбодетандере, а силовая газовая турбина вращает только электрогенератор. Силовой потенциал топливного газа на всех режимах полностью расходуется на производство сжатого воздуха. Подогретый при сжатии воздух поступает в камеру сгорания ГТУ, где сжигается ровно столько топлива, чтобы по выходу из газовой турбины (вращающей электрогенератор) теплоты выхлопных газов оставалось достаточно для предварительного подогрева потока природного газа до такой температуры, чтобы после его расширения в турбодетандере, обеспечивалось условие полной экологичности энергетической установки. Тем самым, обеспечивается максимальное снижение удельных затрат топлива на выработку электроэнергии при минимальном расходе топливного газа в камеру сгорания энергетической установки.This task is achieved by the fact that in the proposed power plant comprising a main gas pipeline with a reducing device, a gas pipeline of reduced gas pressure, an inlet gas pipeline with a gas pressure regulator valve, a heat exchanger-utilizer of heat of exhaust gases of a power gas turbine installed in the course of natural gas, an outlet gas pipeline, a turbine expander kinematically associated air compressor, suction and pressure air ducts, gas pipeline to the combustion chamber, hot gas pipeline to power g a gas turbine, an associated electric generator, and a pipeline supplying exhaust gases to a heat exchanger-heat exchanger for preheating the natural gas stream before the turboexpander, the mechanical load of rotation of the air compressor is provided by the expansion of the natural gas stream in the turbine expander, and the power gas turbine rotates only the electric generator. The power potential of fuel gas in all modes is completely spent on the production of compressed air. The air heated during compression enters the gas turbine combustion chamber, where exactly so much fuel is burned that, upon leaving the gas turbine (rotating electric generator), the heat of the exhaust gases remains sufficient to preheat the natural gas stream to such a temperature that, after its expansion in the turbine expander, the condition full environmental friendliness of the power plant. This ensures the maximum reduction in specific fuel consumption for electricity generation with a minimum consumption of fuel gas in the combustion chamber of a power plant.

На фигуре представлена принципиальная схема предлагаемой газораспределительной станции с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой.The figure shows a schematic diagram of the proposed gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant.

Газораспределительная станция содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, турбодетандер 4, кинематически связанный с воздушным компрессором 5, силовую газовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7, камеру сгорания 8, теплообменник-утилизатор 9 выхлопных газов силовой газовой турбины, а также входной газопровод 10, выходной газопровод 11, всасывающий 12 и напорный 13 воздухопроводы, газопровод к камере сгорания 14, трубопровод продуктов сгорания 15, трубопровод выхлопных газов 16, клапан 17 регулятора давления, поддерживающий на заданном уровне давление природного газа в выходном газопроводе после турбодетандера.The gas distribution station comprises a gas main 1 with a reducing device 2, a gas low pressure gas pipeline 3, a turboexpander 4 kinematically connected to an air compressor 5, a power gas turbine 6, a power generator 7, a combustion chamber 8, an exhaust gas heat exchanger-exhaust gas exchanger 9, as well as the inlet gas pipe 10, the outlet gas pipe 11, the suction 12 and pressure 13 air pipes, the gas pipe to the combustion chamber 14, the pipeline of combustion products 15, the exhaust pipe 16, valve en 17 of the pressure regulator, maintaining a predetermined level of gas pressure in the outlet manifold after the turbo expander.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Природный газ забирается из магистрального газопровода 1 перед редуцирующим устройством 2, по входному газопроводу 10 поступает в теплообменник-утилизатор 9, в котором подогревается горячими выхлопными газами силовой газовой турбины 6, поступающими к нему по трубопроводу выхлопных газов 16. Из теплообменника-утилизатора поток природного газа поступает в турбодетандер 4, в котором расширяется и производит мощность, передаваемую воздушному компрессору 5. После расширения в турбодетандере поток природного газа направляется в газопровод сниженного давления газа. Постоянное давление природного газа в выходном газопроводе после турбодетандера 4 поддерживается клапаном 17 регулятора давления газа. В воздушном компрессоре, забирающем атмосферный воздух по всасывающему воздухопроводу 12, воздушный поток сжимается и по напорному воздухопроводу 13 поступает в камеру сгорания 8, в которую по газопроводу 14 подается топливный газ, при сгорании которого обеспечивается такое количество теплоты в выхлопных газах, которое необходимо для предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером и максимального охлаждения выхлопных газов. Образующиеся в камере сгорания продукты горения и избыточный воздух по трубопроводу 15 поступают в силовую газовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7. Отработавшие в силовой газовой турбине выхлопные газы по трубопроводу 16 отводятся в атмосферу с минимальной температурой.Natural gas is taken from the main gas pipeline 1 in front of the reducing device 2, through the inlet gas pipe 10 it enters a heat exchanger-utilizer 9, in which it is heated by hot exhaust gases of a power gas turbine 6, supplied to it through an exhaust gas pipe 16. From the heat exchanger-utilizer, the natural gas stream enters the turboexpander 4, in which it expands and produces the power transmitted to the air compressor 5. After expansion in the turboexpander, the flow of natural gas is directed to the gas pipeline from below ennogo gas pressure. The constant pressure of natural gas in the outlet gas line after the turboexpander 4 is supported by a valve 17 of the gas pressure regulator. In an air compressor that draws in atmospheric air through the suction line 12, the air stream is compressed and through the pressure line 13 enters the combustion chamber 8, into which fuel gas is supplied through the gas line 14, during the combustion of which the amount of heat in the exhaust gases is provided that is necessary for preliminary heating the flow of natural gas in front of the turboexpander and maximum cooling of the exhaust gases. The combustion products and excess air formed in the combustion chamber through a pipe 15 enter a power gas turbine 6 leading an electric generator 7. The exhaust gases exhausted in a power gas turbine are discharged through a pipe 16 to the atmosphere with a minimum temperature.

Мощность силовой газовой турбины полностью расходуется на выработку только электроэнергии. Привод воздушного компрессора обеспечивается только за счет избыточного давления топливного газа. На его предварительный подогрев тратится минимально возможное количество топлива, поскольку подогрев продуктов сгорания перед газовой турбиной ограничен такой температурой, которая позволяет подавать газ в трубопровод к потребителю при такой же температуре, как в магистральном газопроводе. Таким образом, обеспечивается минимальный удельный расход топлива выработку электроэнергии, а соблюдение условия полной экологичности позволяет не допустить потерь физической теплоты потока газа, по трубопроводу сниженного давления за ГРС. Благодаря отсутствию кинематической связи между воздушным компрессором и силовой газовой турбины оба агрегата могут работать с различными частотами вращения, достигая своих оптимальных внутренних относительных КПД.The power of a gas turbine is completely spent on generating only electricity. The drive of the air compressor is provided only due to the excess pressure of the fuel gas. The minimum possible amount of fuel is spent on its preliminary heating, since the heating of the combustion products in front of the gas turbine is limited by a temperature that allows gas to be supplied to the consumer at the same temperature as in the main gas pipeline. Thus, a minimum specific fuel consumption is generated for electricity generation, and compliance with the conditions of complete environmental friendliness allows avoiding the loss of physical heat of the gas flow through the reduced pressure pipeline behind the gas distribution system. Due to the lack of kinematic connection between the air compressor and the power gas turbine, both units can operate with different speeds, reaching their optimal internal relative efficiency.

Claims

A power plant comprising a main gas pipeline with a reducing device, a gas pipeline of reduced gas pressure, an inlet gas pipeline with a gas pressure regulator valve, a heat exchanger-utilizer of heat of exhaust gases from a power gas turbine installed in the course of natural gas, an outlet gas pipeline, a turboexpander, a kinematically associated air compressor, suction and pressure air ducts, gas pipeline to the combustion chamber, hot gas pipeline to the power gas turbine, associated electric generator OR and a pipeline supplying exhaust gases to a heat exchanger-heat exchanger for preheating a natural gas stream in front of a turboexpander, characterized in that the expander rotates an air compressor of a gas turbine unit (GTU), which is kinematically not connected to a power gas turbine, while the gas turbine an electric generator is activated, and a gas heat exchanger-heat exchanger is installed in front of the turboexpander to heat the exhaust gas from the gas turbine.

.