RU2013618C1

RU2013618C1 - Combined power plant

Info

Publication number: RU2013618C1
Authority: RU
Inventors: В.С. Бойко
Original assignee: Бойко Вадим Степанович
Priority date: 1990-12-13
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: power plant has gas-turbine engine with flue gas path, waste-heat circuit communicating with the latter and incorporating convective heat exchanger and contact heat exchanger with active checker arranged in tandem in flue gas path. Power plant also has natural-gas lines and distribution line interconnected through bypass piping. EFFECT: provision for waste heat utilization, additional electric energy generation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки дополнительной электроэнергии с утилизацией тепла двигателей и энергии дросселируемого в системах газоснабжения природного газа. The invention relates to energy and can be used to generate additional electricity with the utilization of engine heat and throttled energy in natural gas supply systems.

Известна комбинированная энергетическая установка для выработки полезной энергии и хладопроизводительности путем расширения транспортируемого газа в турбодетандере [1] . Known combined power plant for generating useful energy and refrigeration by expanding the transported gas in a turboexpander [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] . The disadvantage of this installation is the insignificant unit capacity due to the low energy content of the expandable natural gas in comparison with the processes of gas combustion or steam expansion. The instability of their operational characteristics due to fluctuations in gas flow in gas supply systems. In addition, with the expansion of the transported natural gas in turbine expanders, there is a deep hypothermia of the gas and, as a result, delamination of the metal of the pipes and freezing of the adjacent soil, which leads to the "expansion" of gas pipelines. These shortcomings impede the serial introduction of turboexpander units at gas distribution stations and points of gas supply systems where natural gas is throttled in control valves before being supplied to the consumer, as a rule, without generating useful energy. Also known is a combined combined cycle plant containing a gas turbine unit with a flue gas path connected by a flue gas exhaust to a boiler utilizer of a recycling steam turbine unit [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% . The installation is designed to generate electricity from the exhaust gases of a gas turbine installation. A feature of the generation of additional electricity in a steam turbine installation is that its power is 0.25-0.3 of the power of the main gas turbine engine, and the electric efficiency of the installation is 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. The disadvantage of the installation is the presence of a condenser circulation cooling circuit in it and, as a consequence, low profitability and large discharges of water, gas and heat into the environment both with exhaust gases and in the circulation cooling circuit.

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] . Also known is a combined power plant containing a gas turbine engine with an exhaust gas path connected by an exhaust gas exhaust to the heat recovery circuit, the heat recovery circuit contains two heat exchangers installed in series in the exhaust gas path of the gas turbine engine, as well as a natural gas path in which heat exchangers are connected in series a heated medium and a turboexpander, the natural gas path being connected at the inlet to the natural gas pipeline a, and at the output - to the distribution network [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. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized in that the heat recovery circuit contains sequentially installed convective and contact heat exchangers in the exhaust gas path of the gas turbine engine through a heating medium, as well as a natural gas path in which contact and convective heat exchangers are connected in series to the heated medium and a turboexpander, moreover, the natural gas path is connected at the entrance to the natural gas pipeline, and at the exit to the distribution network.

Таким образом, заявляемая комбинированная энергетическая установка соответствуют критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed combined power plant meets the criteria of the invention of "novelty."

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. The aim of the invention is to increase the efficiency of the installation and reduce harmful emissions into the environment, both by reducing heat loss to the atmosphere with exhaust gases, and by preventing heat loss and water flow in the circulation cooling circuit.

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". Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "Significant differences".

На чертеже представлена принципиальная схема комбинированной энергетической установки. The drawing shows a schematic diagram of a combined power plant.

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. The installation comprises a gas turbine engine with a flue gas path made in the form of an air compressor 1, a combustion chamber 2 and a gas turbine 3. The gas turbine engine is connected to a heat recovery exhaust circuit by an exhaust gas exhaust circuit containing a convective heat exchanger 4 and a contact heat exchanger sequentially installed in the flue gas path 5 with an active nozzle 6, made in the form of a coil heater of natural gas.

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. On one shaft with a gas turbine 3 there is a natural gas expansion turbine expander 7 with a gas control device 8 and a gearbox 9 through which the total useful power of the gas turbine engine and the turboexpander is transmitted to the electric generator 10. The electric generator 10 is connected to the power grid in parallel with another power source or for autonomous supply of the subscriber consumer electricity. For a steady continuous supply of natural gas consumers, a high-speed control valve 11 is provided on the bypass gas line 12, which maintains the specified pressure of the natural gas transported to the consumer, and to ensure the stable operation of the turboexpander 7, a differential sensor 13 is configured to maintain a given constant differential pressure of gas in the natural gas paths gas 14 and 15 and transmitting the control signal to the gas control device 8 of the turbo expander 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. To regulate the temperature of natural gas and the power of the expander 7 at the exhaust of the gas turbine 3, an afterburning device 16 is provided, which is included in the operation when the flow rate or temperature of the natural gas entering the expander 7 is reduced, as well as a gas control valve 17 on the bypass gas pipe 18, which provides exhaust gas bypass heat exchangers 4 and 5 when the temperature of the natural gas transported to the consumer rises above a predetermined value. For pre-ventilation of the gas turbine exhaust, a quick-shut-off valve 19 is provided. The excess condensate generated from the vapors and moisture of the exhaust gases in the contact heat exchanger 5 is discharged through the pipe 20 under the pressure created by the circulation pump 21. A gas-water heat exchanger 22 is installed on the natural gas path 14 water closed loop oil cooling.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

Пуск установки производится включением в работу газотурбинного двигателя или турбодетандера 7. The installation is started by turning on the gas turbine engine or turbo expander 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. The operating mode of the installation can be established both by regulating the power of the gas turbine engine and the turboexpander independently of each other. The plant uses natural gas as combustible fuel.

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.When operating a gas turbine installation excess power and the power turbine expander 3 7 summed and transmitted power generator 10. Exhaust gases enter the gas turbine 3 via the afterburning device 16 and the heat exchangers 4 and 5 in an atmosphere at a temperature of 40 ° ^C.

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.Natural gas on path 14 is directed sequentially in gas-water heat exchanger 22 where it is heated by 8 ^C, the active nozzle 6 of the contact heat exchanger 5 by heating to a temperature of 50 ^{° C,} the convective heat exchanger 4, Gas-regulating device 8 to turboexpander 7, expands and at a predetermined temperature, for example 140 ^° C, enters the distribution network via the natural gas path 15. Part of the natural gas through the bypass gas line 12 through the control valve 11 is mixed into the natural gas path 15 in an amount determined by the setting of the sensor 13. When changing the operating mode of the turboexpander 7, the amount of gas entering the distribution network is controlled by the control valve 11, and when the flow rate changes gas to the consumer changes only the power of the turboexpander 7 with a constant gas flow through the bypass gas line 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.Thus, an independent and stable supply of gas to the consumer is achieved under various operating modes of both the gas supply system and the turbo-expander, including the emergency stop of the turbo-expander 7. If necessary, change the power of the turbo-expander 7 or the gas temperature in the tract 15 and the afterburner 16 is switched on, and additional gas burning in the exhaust gas environment of the gas turbine 3 and the heat transfer in the heat exchangers 4 and 5 is reduced. If necessary, maintain a given negative (0-2 ^о С) the temperature of natural gas in the tract 15, for example, when laying an underground gas pipeline to the consumer and frozen soil, a part of the exhaust gases is bypassed in addition to the heat exchangers 4 and 5 through the gas control valve 17 to the atmosphere. The heat transfer in the heat exchanger 4 is carried out with a convective heat exchanger between the exhaust and natural gas, and in the heat exchanger 5 by direct contact of the exhaust gases and circulating water and the heat exchange of heated water and natural gas in the active nozzle 6. In this case, the moisture vapor contained in the heat exchanger 5 is condensed in exhaust gases, and the excess condensate circulating under the pressure of the pump 21 is discharged for technological needs through the pipeline 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. The main feature of the proposed combined installation is the interconnection of consumable, parametric and operational characteristics, which predetermines the high efficiency of the process of generating electricity and reducing heat and mass transfer with the environment.

Указанная взаимосвязь обусловлена способностью транспортируемого природного газа к использованию низкопотенциального тепла без потерь в окружающую среду и без затрат энергии на сжатие газа. This relationship is due to the ability of the transported natural gas to use low potential heat without loss to the environment and without the cost of energy for gas compression.

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.For example, when optimizing the power characteristics of the equipment at the nominal operation mode setting ratio of useful power turbine engine and turbo expander 7 may be 1: 2, by heating natural gas to a temperature of 130-150 ^{° C} and cooling the exhaust gases from ^about 400-500 C to a temperature 30 -40 ° ^C. at this exhaust gas is discharged into the atmosphere in the dried state, and oxides of nitrogen content therein is reduced by 60% compared with conventional internal combustion engines.

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% . Thus, in comparison with the prototype in the proposed combined power plant, the following advantages are achieved: increasing the unit capacity of plants by 2-3 times; increase in electrical efficiency up to 60-65% instead of 20-27%; prevention of emission of exhaust vapor into the atmosphere with moisture vapor contained in the combustion products; reduction of nitrogen oxide emissions into the atmosphere up to 60%; increase in turbo expander power by heating gas by 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. When introducing the installation, it is also possible to increase the reliability of power supply systems by saturating the power systems with medium-capacity maneuvering plants that can operate in emergency mode when the gas supply to the main consumer is cut off or when the power supply is de-energized. In addition, it is possible to maintain a predetermined gas temperature for the consumer, which solves the important problem of increasing the reliability of underground gas pipelines both in permafrost zones and in conditions of variable soil temperature.

Установка располагается на газораспределительной станции (ГРС) или пункте (ГРП) системы газоснабжения крупных потребителей природного газа. The installation is located at a gas distribution station (GRS) or at a point (GRP) of a gas supply system for large consumers of natural gas.

Claims

COMBINED POWER INSTALLATION, including a gas turbine engine, comprising a compressor installed on a common shaft, a payload, a turbine with an exhaust gas path, connected at the inlet to the natural gas main, and at the outlet to the distribution main, a heat recovery circuit containing serially connected via a heated medium to the exhaust gas path, at least two heat exchangers and a turboexpander, characterized in that, in order to increase efficiency and reduce emissions in the environment Wednesday, the installation is equipped with a afterburner installed in the exhaust path between the turbine and the first heat exchanger along the gas flow, a gas control device and three bypass pipelines with dampers installed on them, one of which is connected to the outlet of the compressor and the afterburner, and the second to the exit of turbines and the exhaust gas path behind the second heat exchanger along the gases, and the third to the natural gas and distribution mains, the first heat exchanger made of a contact type, the second onvektivnogo type gas distributing device is mounted between the turbo expander and convective heat exchanger, and the latter is mounted on a common shaft.