RU2463462C1 - Combined gas turbo expander plant to run on natural gas - Google Patents
Combined gas turbo expander plant to run on natural gas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2463462C1 RU2463462C1 RU2011117032/06A RU2011117032A RU2463462C1 RU 2463462 C1 RU2463462 C1 RU 2463462C1 RU 2011117032/06 A RU2011117032/06 A RU 2011117032/06A RU 2011117032 A RU2011117032 A RU 2011117032A RU 2463462 C1 RU2463462 C1 RU 2463462C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- natural gas
- turbine
- inlet
- valve
- gas
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано на газораспределительных станциях, в составе которых имеется энергетическая установка. В условиях экономических затруднений нашего времени и дефицита энергогенерирующего оборудования (из-за его морального и физического износа) основным направлением создания конкурентоспособных образцов энергооборудования становится серьезная модернизация действующих энергоустановок. Успех такой модернизации базируется на грамотном использовании передовых научно-технических достижений. Повышение экологических показателей, эффективности и надежности работы энергооборудования с одновременным снижением стоимостных показателей энергогенерирующих установок основываются на использовании инновационных разработок. Другой проблемой является необходимость обеспечения отдаленных малонаселенных пунктов и групп населения энергоресурсами в небольших объемах, т.е. необходимость использования малой энергетики.The invention relates to power engineering and can be used at gas distribution stations, which include a power plant. In the conditions of the economic difficulties of our time and the shortage of energy-generating equipment (due to its moral and physical deterioration), the main direction of creating competitive samples of power equipment is the serious modernization of existing power plants. The success of such modernization is based on the competent use of advanced scientific and technological achievements. Improving environmental performance, efficiency and reliability of power equipment with a simultaneous decrease in the cost indicators of power generating plants are based on the use of innovative developments. Another problem is the need to provide remote sparsely populated areas and population groups with small amounts of energy, i.e. the need to use small energy.
Известна газораспределительная станция с энергетической установкой (патент РФ №2009389, F17D 1/04, 15.03.1994). Станция содержит магистральный газопровод с редуцирующим устройством, газотурбинный двигатель с теплообменником-утилизатором на выходе для нагрева отобранного перед редуцирующим устройством из магистрального газотрубопровода газа и турбодетандер с электрогенератором. Вход турбодетандера подсоединен к выходу теплообменника-утилизатора. Станция снабжена теплообменником-регенератором для предварительного нагрева отобранного газа. Теплообменник-регенератор установлен перед теплообменником-утилизатором и подключен по греющей среде своими входом и выходом соответственно к выходу турбодетандера и газотрубопроводу после редуцирующего устройства, а по нагреваемой среде, соответственно, входом - к магистральному газотрубопроводу перед редуцирующим устройством и выходом - к входу теплообменника-утилизатора. Данное изобретение повышает эффективность и надежность газораспределительной станции путем повышения КПД энергетической установки вследствие регенерации теплоты выходящего из турбодетандера газа, снижения потерь в газопроводе и повышения надежности последнего. Недостатком этого аналога является увеличенная стоимость установки (разные системы управления ГТД и турбодетандера) и снижение эффективности турбодетандера за счет неизбежных утечек природного газа в атмосферу. Известно, что один процент утечек природного газа приводит к нецелесообразности использования турбодетандера из-за того, что при этом КПД турбодетандера стремится к нулю.Known gas distribution station with a power plant (RF patent No. 2009389, F17D 1/04, 03/15/1994). The station contains a gas main with a reducing device, a gas turbine engine with a heat exchanger-heat exchanger at the outlet for heating the gas selected in front of the reducing device from the gas main, and a turboexpander with an electric generator. The input of the turboexpander is connected to the output of the heat exchanger-utilizer. The station is equipped with a heat exchanger-regenerator for preheating the selected gas. The heat exchanger-regenerator is installed in front of the heat exchanger-utilizer and connected through a heating medium with its inlet and outlet respectively to the outlet of the turbo-expander and the gas pipe after the reducing device, and through the heated medium, respectively, the input to the main gas pipe in front of the reducing device and the output to the input of the heat exchanger-heat exchanger . This invention improves the efficiency and reliability of a gas distribution station by increasing the efficiency of a power plant as a result of heat recovery of the gas exiting the turbo expander, reducing losses in the gas pipeline and increasing the reliability of the latter. The disadvantage of this analogue is the increased cost of installation (different control systems for gas turbine engines and turbo-expander) and a decrease in the efficiency of the turbo-expander due to the inevitable leakage of natural gas into the atmosphere. It is known that one percent of natural gas leaks leads to the inexpediency of using a turboexpander due to the fact that the efficiency of the turboexpander expands to zero.
Недостаток первого аналога устраняется техническим решением турбодетандерной установки (патент РФ №2317430, F02C 7/28, 20.02.2008). Установка включает турбодетандер, камеру высокого давления, камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой с размещенным в ней вентилятором и форсунками. Эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления. Рабочее колесо турбодетандера установки жестко соединено с ротором электрогенератора на подшипниках. Электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителем электроэнергии. Турбодетандерная установка повышает эффективность использования тепла утечек природного газа. Недостатком второго аналога является возможность сильного изменения по времени генерируемой мощности из-за переменности по расходу и давлению природного газа, поступающего в турбодетандер. Недостаток второго аналога устраняется наиболее близким по назначению и конструкции прототипом - газотурбодетандерной установкой для работы на природном газе (патент РФ №2013615, F02C 6/00, 30.05.1994). Установка включает магистраль природного газа высокого давления с установленными в ней теплообменником и турбодетандером, соединенным валом с компрессором. Газотурбодетандерная установка снабжена регенеративной газотурбинной установкой, содержащей камеру сгорания, газовую турбину и теплообменник-регенератор, установленный на выходе газовой турбины. Причем теплообменник установлен перед турбодетандером и сопряжен с теплообменником-регенератором. Газовая турбина механически соединена с валом, соединяющим турбодетандер с компрессором. Установка позволяет повысить удельный съем энергии с одного килограмма природного газа. Однако даже кратковременный останов установки, например, для регламентных или ремонтных работ турбодетандера вызывает прекращение подачи природного газа потребителю. Здесь также не используются возможности турбодетандера для повышения КПД установки, например, путем полезного использования утечек природного газа через уплотнения по валу.The disadvantage of the first analogue is eliminated by the technical solution of the expander unit (RF patent No. 2317430, F02C 7/28, 02/20/2008). The installation includes a turboexpander, a high-pressure chamber, a low-pressure chamber, which communicate through seals with a storage chamber, and the latter is communicated through a gas-air exhaust manifold with an ejector pipe with a fan and nozzles placed in it. The ejector pipe is connected to an exchanger connected to a high-pressure natural gas pipeline through an outlet. The impeller of the turboexpander of the installation is rigidly connected to the rotor of the electric generator on bearings. The generator through a frequency converter is connected to a consumer of electricity. A turboexpander plant increases the efficiency of heat utilization of natural gas leaks. The disadvantage of the second analogue is the possibility of a strong change in the time of the generated power due to the variability in the flow rate and pressure of the natural gas entering the turboexpander. The disadvantage of the second analogue is eliminated by the prototype closest in purpose and design - a gas turbine expander for working on natural gas (RF patent No. 20133615, F02C 6/00, 05/30/1994). The installation includes a high-pressure natural gas pipeline with a heat exchanger and a turboexpander installed in it, connected by a shaft to a compressor. The gas turbine expander unit is equipped with a regenerative gas turbine unit containing a combustion chamber, a gas turbine and a heat exchanger-regenerator installed at the outlet of the gas turbine. Moreover, the heat exchanger is installed in front of the turboexpander and is paired with a heat exchanger-regenerator. The gas turbine is mechanically connected to the shaft connecting the turboexpander to the compressor. The installation allows to increase the specific energy consumption from one kilogram of natural gas. However, even a short shutdown of the installation, for example, for routine or repair work of a turboexpander, causes the supply of natural gas to the consumer to cease. It also does not use the capabilities of the turboexpander to increase the efficiency of the installation, for example, by making good use of natural gas leaks through shaft seals.
В основу изобретения положено решение следующих задач:The invention is based on the following tasks:
- повышение эффективности работы установки;- improving the efficiency of the installation;
- улучшение экологических показателей работы установки;- improving the environmental performance of the installation;
- обеспечение бесперебойного энергоснабжения потребителя природным газом и механической или электрической энергией.- ensuring uninterrupted power supply to the consumer with natural gas and mechanical or electrical energy.
Поставленные задачи решаются тем, что комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе содержит магистраль природного газа, турбодетандер, нагреватель с каналами холодного и промежуточного теплоносителя, рекуператор с каналами горячего и промежуточного теплоносителя, насос, потребитель мощности, например электрогенератор, газогенератор ГТД, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, где компрессор, турбина и потребитель мощности сопряжены между собой механически через вал и магистраль потребителя природного газа.The tasks are solved in that the combined gas turbine expander for operating on natural gas contains a natural gas main, a turbo expander, a heater with cold and intermediate coolant channels, a recuperator with hot and intermediate coolant channels, a pump, a power consumer, for example, an electric generator, a gas turbine generator, including a compressor , a combustion chamber and a turbine, where the compressor, turbine and power consumer are interconnected mechanically through the shaft and the consumer line natural gas.
Магистраль природного газа и вход турбодетандера соединены через канал холодного теплоносителя нагревателя. Выход турбодетандера соединен с потребителем природного газа. Выход турбины через канал горячего теплоносителя рекуператора соединен с атмосферой. Каналы промежуточного теплоносителя рекуператора и нагревателя соединены через насос в общий замкнутый контур.The natural gas pipeline and the inlet of the turboexpander are connected through the channel of the coolant heater. The output of the turboexpander is connected to a consumer of natural gas. The turbine exit through the channel of the heat carrier of the heat exchanger is connected to the atmosphere. The channels of the intermediate heat carrier of the recuperator and heater are connected through a pump to a common closed loop.
Новым в изобретении является то, что установка содержит источник сжатого воздуха, накопитель сжатого воздуха, камеру сбора утечек уплотнений по валу, муфту сцепления, дроссель-регулятор, редуктор давления и клапаны. Турбодетандер соединен механически через муфту сцепления с газогенератором ГТД. Камера сбора утечек уплотнений по валу газодинамически соединена с входом в компрессор. Источник сжатого воздуха соединен с входом в турбодетандер через накопитель с клапанами на входе и на выходе. Выход турбодетандера снабжен клапаном. Магистраль природного газа соединена через клапан с каналом холодного теплоносителя нагревателя. Дополнительно магистраль природного газа через клапан и редуктор давления соединена с магистралью потребителя природного газа, а также через клапан - с входом в турбодетандер. Вход в канал горячего теплоносителя рекуператора из турбины снабжен клапаном. Выход турбины дополнительно связан через дроссель-регулятор температуры непосредственно с атмосферой.New in the invention is that the installation contains a source of compressed air, a compressed air accumulator, a chamber for collecting leakage of seals on the shaft, a clutch, a throttle controller, a pressure reducer and valves. The turbo expander is connected mechanically via a clutch to the gas turbine engine generator. The seal leakage chamber along the shaft is gasdynamically connected to the compressor inlet. A source of compressed air is connected to the inlet to the turboexpander through an accumulator with valves at the inlet and outlet. The turboexpander output is equipped with a valve. The natural gas line is connected through a valve to the channel of the coolant heater. In addition, the natural gas line is connected to the natural gas consumer line through a valve and a pressure reducer, and also through the valve to the inlet to the turbo expander. The entrance to the channel of the heat carrier of the recuperator from the turbine is equipped with a valve. The turbine output is additionally connected via a throttle temperature controller directly to the atmosphere.
При такой конструкции комбинированной газотурбодетандерной установки:With this design of a combined gas turbine expander:
- наличие в установке дополнительно источника сжатого воздуха, накопителя сжатого воздуха, камеры сбора утечек уплотнений по валу, муфты сцепления, дроссель-регулятора, редуктора давления и клапанов обеспечивает непрерывность работы установки, повышает ее эффективность и экологичность;- the presence in the installation of an additional source of compressed air, a compressed air accumulator, a chamber for collecting leakage of seals on the shaft, a clutch, a throttle controller, a pressure reducer and valves ensures the continuity of the installation, increases its efficiency and environmental friendliness;
- соединение камеры сбора утечек с входом в компрессор позволяет исключить полностью поступление утечек природного газа из турбодетандера в атмосферу и использовать химическую энергию утечек путем сжигания их в камере сгорания газогенератора, а также повысить экологические показатели окружающей среды;- the connection of the leakage collection chamber to the compressor inlet allows to completely eliminate the leakage of natural gas from the turboexpander into the atmosphere and to use the chemical energy of the leaks by burning them in the combustion chamber of the gas generator, as well as to increase the environmental performance of the environment;
- соединение источника сжатого воздуха с входом в турбодетандер через накопитель с клапанами на входе и на выходе обеспечивает возможность надежного запуска установки и получения холодного воздуха на выходе из турбодетандера с направлением его потребителю, например, на вход в компрессор для повышением эффективности работы установки, особенно в жаркое время года;- the connection of the compressed air source to the inlet of the turboexpander through the accumulator with valves at the inlet and outlet provides the possibility of reliable start-up of the installation and the production of cold air at the outlet of the turboexpander with its direction to the consumer, for example, to the compressor inlet to increase the efficiency of the installation, especially in hot season;
- снабжение входа канала горячего теплоносителя рекуператора клапаном и соединение выхода турбины через дроссель-регулятор с атмосферой позволяют обеспечить непрерывную работу установки при необходимости отключения из работы рекуператора, например, в летнее время года;- supplying the inlet of the recuperator’s hot fluid channel with the valve and connecting the turbine outlet through the throttle-regulator to the atmosphere allow continuous operation of the unit if it is necessary to shut down the recuperator, for example, in the summer season;
- наличие муфты сцепления между валами газогенератора и турбодетандера позволяет работать установке в двух режимах: режиме объединения мощностей газогенератора и турбодетандера и в режиме отключения турбодетандера от газогенератора для проведения регламентных, ремонтных и других работ;- the presence of a clutch between the shafts of the gas generator and the expander allows the installation to operate in two modes: the mode of combining the power of the gas generator and the expander and in the mode of disconnecting the expander from the gas generator for routine, repair and other work;
- наличие дросселя-регулятора, установленного параллельно с каналом горячего теплоносителя рекуператора между выходом из турбины и атмосферой, позволяет поддерживать температуру природного газа в допустимом для потребителя диапазоне;- the presence of a throttle controller installed in parallel with the recuperator’s hot coolant channel between the turbine exit and the atmosphere, makes it possible to maintain the temperature of natural gas in a range acceptable for the consumer;
- соединение магистрали природного газа через клапан с входом в турбодетандер, а также с входом в канал холодного теплоносителя нагревателя и соединение магистрали природного газа и магистрали потребителя природного газа через клапан и редуктор давления позволяют обеспечивать непрерывную подачу природного газа нужного давления при вынужденном прекращении поступления природного газа через турбодетандер или нагреватель из-за регламентных или ремонтных работ.- the connection of the natural gas line through the valve with the inlet to the turbine expander, as well as with the entrance to the cold coolant channel of the heater, and the connection of the natural gas line and the natural gas consumer line through the valve and pressure reducer allow for the continuous supply of natural gas of the desired pressure when the natural gas is forced to cease through a turboexpander or heater due to routine or repair work.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнения и развитие:The essential features of the invention may have additions and development:
- наличие дополнительного потребителя мощности, механически соединенного по валу с турбодетандером, и дополнительной камеры сбора утечек уплотнений по валу, газодинамически соединенной с входом компрессора при разъединении муфтой сцепления валов ГТД и турбодетандера, позволяет обеспечить оптимальную частоту вращения турбодетандера, обеспечивающую повышение его экономичности работы и снижение массы;- the presence of an additional consumer of power, mechanically connected along the shaft with the turbo-expander, and an additional chamber for collecting leakage of seals on the shaft, gas-dynamically connected to the compressor inlet when the clutch of the clutch of the gas turbine engine and the turbo-expander is disconnected, allows to ensure the optimal rotational speed of the turbo-expander, which increases its operating efficiency and reduces masses;
- накопитель сжатого воздуха может быть выполнен в виде батареи сосудов высокого давления. Это позволяет повысить запасы воздуха с увеличением длительности работы установки в условиях, например, отсутствия поступления природного газа, что повышает бесперебойность работы установки;- the accumulator of compressed air can be made in the form of a battery of pressure vessels. This allows you to increase air reserves with an increase in the duration of the installation in conditions, for example, the absence of natural gas, which increases the uninterrupted operation of the installation;
- использование потребителя мощности в виде воздушного компрессора, соединенного входом с атмосферой, а выходом с накопителем сжатого воздуха, или электрогенератора позволяет обеспечить потребителя сжатым воздухом или электроэнергией, в зависимости от необходимости в том или ином виде энергии, что расширяет потребительские свойства установки.- the use of a power consumer in the form of an air compressor connected to the inlet with the atmosphere, and the outlet to a compressed air storage device, or an electric generator allows us to provide the consumer with compressed air or electricity, depending on the need for some form of energy, which expands the consumer properties of the installation.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:Thus, the objectives of the invention are solved:
- повышена эффективность работы установки;- increased installation efficiency;
- улучшены экологические показатели работы установки;- Improved environmental performance of the installation;
- обеспечена бесперебойная работа установки.- Uninterrupted operation of the installation is ensured.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции комбинированной турбодетандерной установки и ее работы со ссылкой на чертежи (см. фиг.1 и 2).The present invention is illustrated by the following detailed description of the design of the combined turboexpander unit and its operation with reference to the drawings (see FIGS. 1 and 2).
Комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе (см. фиг.1) содержит магистраль 1 природного газа, турбодетандер 2, нагреватель 3 с каналами 4 и 5 соответственно холодного и промежуточного теплоносителей, рекуператор 6 с каналами 7 и 8 соответственно горячего и промежуточного теплоносителей, насос 9, потребитель 10 мощности, газогенератор 11 ГТД, включающий компрессор 12, камеру сгорания 13 и турбину 14 и магистраль 15 потребителя природного газа. Компрессор 12, турбина 14 и потребитель 10 мощности сопряжены между собой механически через вал.The combined natural gas turbine expander (see FIG. 1) contains a natural gas line 1, a turboexpander 2, a
Магистраль 1 природного газа и вход турбодетандера 2 соединены через канал 4 холодного теплоносителя нагревателя 3. Выход турбодетандера 2 соединен с магистралью 15 потребителя природного газа. Выход турбины 14 через канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6 соединен с атмосферой. Каналы 5 и 8 промежуточного теплоносителя рекуператора 6 и нагревателя 3 через насос 9 соединены в общий замкнутый контур 16.The natural gas line 1 and the inlet of the turboexpander 2 are connected through the channel 4 of the
Кроме того, установка дополнительно содержит источник 17 сжатого воздуха, накопитель 18 сжатого воздуха, камеру 19 сбора утечек уплотнений по валу, муфту 20 сцепления, дроссель-регулятор 21, редуктор давления 22 и клапаны. Турбодетандер 2 соединен механически через муфту 20 сцепления с газогенератором 11 ГТД. Камера 19 сбора утечек уплотнений вала газодинамически соединена с входом в компрессор 12. Источник 17 сжатого воздуха соединен с входом в турбодетандер 2 через накопитель 18 с клапанами 23 и 24 соответственно на входе и выходе. Выход турбодетандера 2 снабжен клапаном 25 и дополнительно через клапан 26 соединен с входом компрессора 12. Магистраль 1 природного газа соединена через клапан 27 с каналом 4 холодного теплоносителя нагревателя 3. Магистраль 1 природного газа также соединена через клапан 28 и редуктор давления 22 с магистралью потребителя природного газа 15, а также через клапан 29 - с входом в турбодетандер 2. Вход в канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6 из турбины 14 снабжен клапаном 30. Выход турбины 14 дополнительно связан через дроссель-регулятор 21 непосредственно с атмосферой.In addition, the installation further comprises a source of compressed air 17, a
Установка может содержать (см. фиг.2) дополнительный потребитель 31 мощности и дополнительную камеру 32 сбора утечек уплотнений вала. Дополнительный потребитель 31 мощности механически соединен с турбодетандером 2. Дополнительная камера 32 сбора утечек уплотнений вала газодинамически соединена с входом компрессора 12.The installation may contain (see figure 2) an additional consumer 31 of power and an
Комбинированная газотурбодетандерная установка, представленная на фиг.1, работает следующим образом. Перед запуском накопитель 18 сжатого воздуха заполнен воздухом высокого давления, источник 17 сжатого воздуха отключен, общий контур 16 с насосом 9 заполнен промежуточным теплоносителем, все клапаны установки закрыты, кроме клапана 28, обеспечивающего подачу природного газа через редуктор давления 22 в магистраль потребителя природного газа 15. Дроссель-регулятор 21 полностью открыт. Запускается насос 9, обеспечивающий циркуляцию промежуточного теплоносителя в замкнутом контуре 16. Соединяются муфтой 20 сцепления валы газогенератора 11 ГТД и турбодетандера 2. Открываются клапаны 24 и 26 и сжатый воздух, поступая в турбодетандер 2, раскручивает газогенератор 11 до режима холостого хода; в камеру сгорания 13 подается топливо и газогенератор 11 выходит на номинальный режим работы. При этом воздух из атмосферы и из турбодетандера всасывается компрессором 12, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 13, куда подается и горючее, которое, сгорая в камере, образует с воздухом газ высокой температуры и давления, поступающий в турбину 14. Газ в турбине 14 за счет понижения давления до величины, близкой к атмосферному давлению, вырабатывает мощность, которая расходуется как на привод компрессора 12, так и передается потребителю мощности 10. После выхода газогенератора 11 на режим холостого хода клапаны 24 и 26 закрываются, прекращается подача воздуха в турбодетандер и открываются клапаны 27, 25 и клапан 30, соединяющий выход газовой турбины через горячий канал 7 рекуператора 6 с атмосферой. Горячий газ из турбины 14 идет через клапан 30 в канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6, где в канале 8 отдает часть тепла промежуточному теплоносителю, циркулирующему в закрытом контуре 16. Мощность газогенератора 11 передается потребителю мощности 10. Закрывается клапан 28 и весь газ высокого давления из магистрали природного газа 1 поступает в канал 4 холодного теплоносителя нагревателя 3, нагревается там за счет тепла, отдаваемого каналом 5 промежуточного теплоносителя, и подается в турбодетандер 2. В турбодетандере 2 давление газа понижается до уровня, необходимого потребителю, при этом на валу турбодетандера 2 вырабатывается мощность, дополнительно к мощности, отдаваемой газогенератором 11 потребителю мощности 10. Утечки природного газа из полости турбодетандера 2 поступают в камеру 19 сбора утечек уплотнений, откуда отводятся во входное сечение компрессора 12, где давление немного ниже атмосферного давления, поэтому помимо газа в камере 19 всегда имеются утечки воздуха из атмосферы. Эти утечки природного газа, поступая с воздухом в камеру сгорания 13, позволяют соответственно уменьшить подачу штатного горючего, вследствие чего в установке турбодетандер 2 по эффективности работает как бы с нулевыми утечками природного газа. Изменением перепада давлений, срабатываемого газом за турбиной 14 на дросселе-регуляторе 21, меняется перепад давлений газа в канале горячего теплоносителя 7 рекуператора 6 и, соответственно, температура промежуточного теплоносителя в общем замкнутом контуре 16 и количество тепла, передаваемого им в канале холодного теплоносителя 4 нагревателя 3 природному газу до входа его в турбодетандер 2. Таким образом обеспечивается температура природного газа в допустимом диапазоне изменения ее в магистрали 15 потребителя природного газа.The combined gas turbine expander installation shown in figure 1, operates as follows. Before starting, the
Комбинированная газотурбодетандерная установка, представленная на фиг.2, работает следующим образом. Запуск установки (до достижения газогенератором 11 режима холостого хода) осуществляется так же, как и запуск установки по фиг.1. При достижении газогенератором 11 режима холостого хода с помощью клапанов 24 и 26 прекращается подача воздуха в турбодетандер 2 и муфтой сцепления 20 разъединяются валы газогенератора 11 и турбодетандера 2. Далее возможны два варианта работы установки.The combined gas turbine expander installation shown in figure 2, operates as follows. The start of the installation (before the gas generator 11 reaches idle speed) is carried out in the same way as the start of the installation of Fig. 1. When the gas generator 11 reaches idle speed using the
В первом варианте газогенератор 11 отдает мощность потребителю мощности 10, газ из магистрали природного газа через клапан 28 и редуктор давления 22, поддерживающий заданное давление за ним, поступает в магистраль 15 потребителя природного газа. Турбодетандер 2 при этом выведен из рабочего процесса, что позволяет производить с ним работы ремонтно-профилактического характера.In the first embodiment, the gas generator 11 gives power to the
Во втором варианте открываются клапаны 27, 25 и клапан 30, соединяющий выход газовой турбины через горячий канал 7 рекуператора 6 с атмосферой. Закрывается клапан 28 и из магистрали природного газа 1 весь нагретый в канале 4 холодного теплоносителя нагревателя 3 газ высокого давления поступает в турбодетандер 2 и далее в магистраль 15 потребителя природного газа. При этом вырабатывамая газогенератором 11 и турбодетандером 2 мощность расходуется на привод потребителя мощности 10 и на привод дополнительного потребителя мощности 31 соответственно. Утечки природного газа по валу из турбодетандера 2 поступают в дополнительную камеру 32 сбора утечек уплотнений, откуда отводятся во входное сечение компрессора 12.In the second embodiment,
Предлагаемая установка (см. фиг.2) позволяет также обеспечивать потребителей мощности электроэнергией от электрогенератора 10 в неизменном количестве и в тех случаях, когда по ряду причин, например после капитального ремонта, газогенератор 11 работает в «щадящем» режиме, т.е. с уменьшенной температурой газа перед турбиной 14 и, соответственно, с уменьшенной мощностью, направляемой на привод электрогенератора 10.The proposed installation (see figure 2) also allows you to provide power consumers with electricity from the
В этом случае, если дополнительным потребителем мощности 31 является воздушный компрессор, муфтой сцепления 20 соединяются валы турбодетандера 2 и газогенератора 11, при этом уменьшается мощность, отбираемая воздушным компрессором 31 от турбодетандером 2 так, чтобы появившийся избыток мощности турбодетандера 2 компенсировал уменьшение мощности газогенератора 11, отдаваемой электрогенератору 10.In this case, if the air compressor is an additional consumer of power 31, the shafts of the turbo expander 2 and the gas generator 11 are connected to the clutch 20, while the power taken by the air compressor 31 from the turbo expander 2 is reduced so that the excess power of the turbo expander 2 that appears compensates for the decrease in the power of the gas generator 11, given to the
Если же дополнительным потребителем мощности 31 является дополнительный электрогенератор, то при работе газогенератора 11 в «щадящем» режиме уменьшается мощность, отдаваемая электрогенератором 10, что может быть скомпенсировано дополнительным электрогенератором 31.If the additional consumer of power 31 is an additional electric generator, then when the gas generator 11 is in the "gentle" mode, the power supplied by the
Предлагаемая установка (см. фиг.2) способна работать и при отключенном газогенераторе 11, но только при наличии повышенной температуры окружающей среды (например, в летнее время года). Установка при этом работает следующим образом. Муфтой сцепления 20 разъединяются валы газогенератора 11 и турбодетандера 2, клапаны 29 и 27 закрыты, клапан 28 открыт - природный газ через редуктор давления поступает в магистраль потребителя природного газа 15. Открываются клапаны 25 и 29 и природный газ из магистрали природного газа 1 начинает поступать в турбодетандер 2. Закрывается клапан 28 и весь газ, направляющийся в магистраль 15 природного газа, проходит через турбодетандер 2 и отдает вырабатываемую мощность дополнительному потребителю мощности 31.The proposed installation (see figure 2) is able to work even when the gas generator 11 is turned off, but only if there is an increased ambient temperature (for example, in the summer season). Installation at the same time works as follows. The shafts of the gas generator 11 and the turboexpander 2 are disconnected by the clutch 20, the
Предлагаемая комбинированная установка может найти применение на крупных газораспределительных станциях с расходом природного газа не менее 1 млн куб. м в сутки при генерируемой мощности 2 МВт. В отличие от известного генерирующего оборудования предлагаемая КГТДУ выгодно отличается тем, что повышает эффективность и надежность генерирования энергии (механической и электрической) при повышенных экологических показателях. Это реализуется за счет того, что комбинация турбодетандера с ГТД позволяет усилить достоинства и уменьшить недостатки каждой из систем (ТД и ГТД) представленной установки. Так, например, испытания опытного образца установки КУРС-1, созданной на базе электростанции ПАЭС-2500 производства ОАО «Мотор Сич» (г.Запорожье), позволили подтвердить повышение эффективного кпд ηe с 20 до 34%, а вредные выбросы оксидов азота снизились с 120 мг/нм3 до уровня 50 мг/нм3 в выхлопных газах ГТД. К тому же, в предлагаемой установке значительно облегчаются условия ее запуска с расширением потребительских свойств генерируемой энергии, в частности, по поддержанию стабильного уровня электричества при «щадящих» по техническим показателям условиях эксплуатации ГТД. При этом в жаркое время года (при температуре окружающей среды более 300К) возможно снижение температуры всасываемого компрессором воздуха на приблизительно 1,5 градуса за счет пропускания (взамен природного газа) через турбодетандер сжатого воздуха расходом 5 кг/с из накопителя сжатого воздуха с давлением 0,2 МПа. В результате повышается приблизительно на 2,5% мощность, суммарно генерируемая ТД и ГТД на уровне, например, 2,0 МВт, при неизменном расходе топлива в камеру сгоранияThe proposed combined installation can be used at large gas distribution stations with a natural gas flow rate of at least 1 million cubic meters. m per day with a generated capacity of 2 MW. In contrast to the well-known generating equipment, the proposed KSTDU favorably differs in that it increases the efficiency and reliability of energy generation (mechanical and electrical) with increased environmental performance. This is realized due to the fact that the combination of a turboexpander with a gas turbine engine allows you to strengthen the advantages and reduce the disadvantages of each of the systems (TD and gas turbine engines) of the installation presented. For example, tests of a prototype of the KURS-1 installation, created on the basis of the PAES-2500 power plant manufactured by OJSC Motor Sich (Zaporizhia), confirmed the increase in the effective efficiency η e from 20 to 34%, and harmful emissions of nitrogen oxides decreased from 120 mg / nm 3 to a level of 50 mg / nm 3 in the exhaust gases of a gas turbine engine. In addition, the proposed installation greatly facilitates the conditions for its launch with the expansion of the consumer properties of the generated energy, in particular, to maintain a stable level of electricity under conditions of gas turbine engine operation that are “sparing” in terms of technical indicators. At the same time, in the hot season (at an ambient temperature of more than 300K), it is possible to reduce the temperature of the air drawn in by the compressor by about 1.5 degrees due to the passage (instead of natural gas) of compressed air through a turboexpander with a flow rate of 5 kg / s from a compressed air storage unit with a pressure of 0 , 2 MPa. As a result, the power generated by the TD and GTE at the level of, for example, 2.0 MW, is increased by about 2.5%, while the fuel consumption in the combustion chamber is constant
Кроме того, направление утечек природного газа из турбодетандера на вход компрессора ГТД с их последующим сжиганием в камере сгорания позволяет полностью исключить их негативное влияние на кпд, характерное при поступлении утечек природного газа в атмосферу.In addition, the direction of natural gas leaks from the turboexpander to the inlet of the gas turbine compressor with their subsequent combustion in the combustion chamber completely eliminates their negative effect on the efficiency characteristic of the occurrence of natural gas leaks into the atmosphere.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет заметно повысить технические показатели действующего энергооборудования, в том числе за счет применения инновационных разработок.Thus, the proposed installation can significantly increase the technical performance of existing power equipment, including through the use of innovative developments.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011117032/06A RU2463462C1 (en) | 2011-04-29 | 2011-04-29 | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011117032/06A RU2463462C1 (en) | 2011-04-29 | 2011-04-29 | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2463462C1 true RU2463462C1 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=47079582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011117032/06A RU2463462C1 (en) | 2011-04-29 | 2011-04-29 | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2463462C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541080C1 (en) * | 2013-09-12 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines |
| RU2660237C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-05 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of controlling gas distribution valve of external combustion heat exchanger |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5003782A (en) * | 1990-07-06 | 1991-04-02 | Zoran Kucerija | Gas expander based power plant system |
| EP0566285A1 (en) * | 1992-04-16 | 1993-10-20 | Ormat Industries, Ltd. | Method of and apparatus for reducing the pressure of a high pressure combustible gas |
| WO1994011626A1 (en) * | 1992-11-18 | 1994-05-26 | Energieversorgung Leverkusen Gmbh | Natural gas expansion plant |
| RU2013615C1 (en) * | 1992-01-16 | 1994-05-30 | Валерий Игнатьевич Гуров | Gas-turbine expander unit operating on natural gas |
| RU2049246C1 (en) * | 1992-08-10 | 1995-11-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Техмастер" | Turbine drive |
| RU2098713C1 (en) * | 1996-08-13 | 1997-12-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method for using energy of natural-gas source differential pressure, power-producing-and-cooling plant, and turboexpander in the form of power drive with bladed machine |
| RU2317430C1 (en) * | 2006-06-09 | 2008-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Turbo-expander plant |
-
2011
- 2011-04-29 RU RU2011117032/06A patent/RU2463462C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5003782A (en) * | 1990-07-06 | 1991-04-02 | Zoran Kucerija | Gas expander based power plant system |
| RU2013615C1 (en) * | 1992-01-16 | 1994-05-30 | Валерий Игнатьевич Гуров | Gas-turbine expander unit operating on natural gas |
| EP0566285A1 (en) * | 1992-04-16 | 1993-10-20 | Ormat Industries, Ltd. | Method of and apparatus for reducing the pressure of a high pressure combustible gas |
| RU2049246C1 (en) * | 1992-08-10 | 1995-11-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Техмастер" | Turbine drive |
| WO1994011626A1 (en) * | 1992-11-18 | 1994-05-26 | Energieversorgung Leverkusen Gmbh | Natural gas expansion plant |
| RU2098713C1 (en) * | 1996-08-13 | 1997-12-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method for using energy of natural-gas source differential pressure, power-producing-and-cooling plant, and turboexpander in the form of power drive with bladed machine |
| RU2317430C1 (en) * | 2006-06-09 | 2008-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Turbo-expander plant |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541080C1 (en) * | 2013-09-12 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines |
| RU2660237C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-05 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of controlling gas distribution valve of external combustion heat exchanger |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10584637B2 (en) | Gas turbine efficiency and regulation speed improvements using supplementary air system continuous and storage systems and methods of using the same | |
| US10794285B2 (en) | Gas turbine air injection system control and method of operation | |
| US8863519B2 (en) | High output modular CAES (HOMC) | |
| RU2694600C2 (en) | Energy recovery system and gas turbine heating system, as well as methods for production and use thereof | |
| US9890707B2 (en) | Gas turbine efficiency and regulation speed improvements using supplementary air system continuous and storage systems and methods of using the same | |
| CN206785443U (en) | A kind of high-pressure natural gas cogeneration distributed energy resource system | |
| EA015281B1 (en) | Gas turbine plant | |
| US20120111025A1 (en) | System For The Generation Of Mechanical And/Or Electrical Energy | |
| CA2270130A1 (en) | Method of operating a power station plant with a co2 process | |
| CN113202582B (en) | Compressed air-fuel gas reheating type combined cycle power generation system and method | |
| US10677162B2 (en) | Grid scale energy storage systems using reheated air turbine or gas turbine expanders | |
| RU2463462C1 (en) | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas | |
| RU2199020C2 (en) | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system | |
| JPH04234534A (en) | Gas turbine device and method for driving same | |
| RU2463463C2 (en) | Combined power system | |
| CN106460664B (en) | Gas turbine efficiency and turndown speed improvements using supplemental air systems | |
| CN113202583B (en) | Compressed air-gas double-working-medium combined cycle power generation system and power generation method | |
| RU199019U1 (en) | Gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft | |
| US12221924B2 (en) | Combined gas turbine engine and fuel cell | |
| RU2712339C1 (en) | Combined power gas turbine expander unit of main line gas pipeline compressor station | |
| RU3626U1 (en) | COMBINED GAS PUMPING UNIT | |
| CN116104645A (en) | Gas turbine system of distributed detonation combustor | |
| RU34990U1 (en) | Gas distribution station with a power plant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140430 |