Способ резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами и система для его осуществления

 

Использование: в теплоэнергетике, преимущественно на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами, Сущность изобретения: образуют газовые гидраты из резервируемого газа в зонах гидратообраэования и хранения зарезервированного газа в период провала электрической нагрузки на электростанции. В период пика электрической нагрузки используют зарезервированный газ, разлагая гидраты с образованием льдоводяной суспензии. Система включает магистральный газопровод с редуцирующим устройством, котлоагрегат, паровые и газовые турбины, насосы питающей и циркуляционной воды, хранилище природного газа, кристаллизатор и накопитель воды. Гидраты резервируемого газа разлагают в хранилище природного газа, а образуют в кристаллизаторе и хранилище природного газа. 2 с.п. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 01 К 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4866316/06 (22) 18.07.90 (46) 23,05.93. Бюл. М 19 (75) Э.А. Бакум (56) Авторское свидетельство СССР

N 1186811, кл. F 01 К 13/00, 1985, (54) СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ С ГАЗОВЫМИ

КОТЛОАГРЕ ГАТАМИ И СИ СТЕМА ДЛЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА

ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ С ГАЗОВЫМИ КОТЛОАГРЕГАТАМИ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: в теплоэнергетике, преимущественно на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами, Сущность

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых энергоустановках для выработки электроэнергии при использовании в качестве топлива природного газа, Цель изобретения — повышение экономичности, Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Давление природного газа на выходе из магистрального газопровода, питающего тепловую электростанцию с газовыми котлоагрегатами, понижают, после чего природный газ смешивают с воздухом и направляют на сжигание в котлоагрегат.

Теплоту сгорания природного газа подводят к воде, предварительно сжатой до высокого давления, в результате чего последняя пере-. ходит в состояние в электрическую энергию

MJ. 1816874 А1 изобретения: образуют газовые гидраты из резервируемого газа в зонах гидратообразования и хранения зарезервированного газа в период провала электрической нагрузки на электростанции. В период пика электрической нагрузки используют зарезервированный газ, разлагая гидраты с образованием льдоводяной суспензии.

Система включает магистральный газопровод с редуцирующим устройством, котлоагрегат, паровые и газовые турбины, насосы питающей и циркуляционной воды, хранилище природного газа, кристаллизатор и накопитель воды. Гидраты резервируемого газа разлагают в хранилище природного газа, а образуют в кристаллизаторе и хранилище природного газа. 2 с.п. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. при понижении давления. Пар низкого давления конденсируют, после чего образующуюся воду сжимают до высокого давления и направляют вновь на испарение в котло, агрегат.

В период времени когда в магистральном газопроводе избыток газа, т.к. потребляемый суммарный расход топлива ниже количества газа передаваемого газовой магистралью или часть потребителей вообще отключена и не потребляет вданный момент времени энергии — так называемый "провал" графика нагрузки энергопотребления, проводят резервирование природного газа переводом его в гидратное состояние, образуя суспензию состоящую из воды и газовых гидратов, которую хранят в хранилище природного газа, В период времени когда включается большое количество потребителей и

1816874 распо агаемый расход топлива в магистральном газопроводе снижается ниже требуемого уровня или отсутствует вообще, так называемый период "пика" электрической нагрузки, емкость хранилища зарезервированного газа, заполненную гидратами, соединяют с подачей газа в котлоагрегат, гидраты газа разлагают на воду, которая превращается в лед в результате отвода теплоты разложения гидратов, и газ, который подают в котлоагрегат, тем самым компенсируя недостаток газа в магистральном газопроводе. По завершении пика электрической нагрузки проводят обычный цикл выработки энергии до очередного момента возможности резервирования природного газа, когда избыток природного газа направляют в места хранения зарезервированного газа, где контактируют с льдоводяной суспензией, образованной при предыдущем процессе разложения гидратов газа, компенсируя тепло гидратообразования за счет теплоты плавления льда, которые хранят в хранилище зарезервированного природного газа до очередного "пика" электрической нагрузки при недостаточной расходе газа в магистральном газопроводе, когда необходимо будет осуществлять подпитку котлоагрегата зарезервированным газом, как описано выше. Р емкостях хранилища образуется меньшая масса гидратов по сравнению с массой гидратов хранящихся в них, из-за плавления части льда в результате покрытия теплопритоков из окружающей среды, а также теплопотерь вследствие необратимости процессов образования и разложения гидратов, образования и плавления льда, т.е, процесс гидратообразования в емкостях хранилища проходит, практически, до тех пар, пока в суспензии существует лед. теплота плавления которого компенсирует теплоту гидратообразования. Часть резервируемого газа переводимого в гидраты в емкостях хранилища определяют по зависимости

Nг=

--, +1) — 1) С,. AT

1 — Я ъ

1 где К вЂ” коэффициент, учитывающий потери тепла в результате теплопритоков и необратимостей процессов в емкости хранилища:

hH — теплота образования гидратов природного газа, кДж/кг газа;

А — удельная масса гидрата, кг гидр./кг газа;

55

V — обьемная доля воды в гидратной суспензии в местах хранения зарезервированного газа; р,, р„— плотности воды и гидрата соответственно, кгlмз;

Срв — удельная теплоемкость воды, кДж/кг град;

ЛТ = разность температур между равновесной температурой хранения газа и температурой образования гидратов, град.

При разложении всей массы льда в емкостях хранилища их дозаполняют гидратами, образованными в зоне гидратообразования вне хранилища газа, в которой гаэ иэ магистрального газопровода контактируют с водой с образованием гидратов и отводом теплоты гидратообразования в окружающую среду.

Зарезервированный гаэ хранят в емкостях хранилища до очередного "пика" электрической нагрузки, когда будет необходимость в подпитке котлоагрегата зарезервированным газом, которую осуществят как описано выше, На чертеже схематически представлена система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами реализующая заявляемый способ, Система содержит магистральный газопровод 1, котлоагрегат 2 для сжигания газа и производства водяного пара, паровую и газовую турбины 3 и 4 преобразующие с помощью энергогенераторов 5 и 6.потенциальную энергию сжатых пара и газа в электроэнергию, конденсатор 7 для отвода теплоты конденсации водяного пара в окружающую среду, соединенный через насос питающей воды 8, подающий воду из конденсатора 7 в котлоагрегат 2, насос циркуляционной воды 9, насос контура градирни

10 соединенный с градирней 11, холодильную машину 12 для отвода теплоты гидратообразования газа, проводимого в кристаллизаторе 13, накопитель воды 14, редуцирующее устройство 15 установленное на магистральном газопроводе 1 перед подачей газа в котлоагрегат 2, и понижающее давление газа от давления в магист0 ральном газопроводе до давления на входе в котлоагрегау, хранилище природного газа

16, Холодильная машина 12 состоит из теплообменника 17 для подогрева воды перед подачей в котлоагрегат за счет снятия перегрева холодильного агента, соединенного по воде со входом в насос 8, à по холодильному агенту через конденсатор 18 с теплообмен ником 19, который вместе с теплообменником 20 встроен в кристалли

1816874 затор 13 и оба они предназначены для отвода теплоты гидратообразования газа, при этом выход из теплообменника 20 соединен со входом а теплообменник 21, выход из которого соединен с подачей газа в котлоаг- 5 регат 2 после редуцирующего устройства

15. Хранилище 16 состоит иэ нескольких емкостей (для примера рассмотрены две—

22 и 23), которые скоммутированы между собой трубопроводами с вентилями 10

24,25,26,27,28,29,30,31 и соединены через вентиль 32 — с выходом из кристаллизатора

13, вентиль 33 — со входом в циркуляционный насос 9, вентиль 34 — с накопитель воды .

14, вентиль 35 — со входом а турбину 4, 15 вентиль 36 — co входом в котлоагрегат 2, который имеет трубопровод 37 вывода продуктов сгорания. Выход из турбины 4 через теплообменник 38, вмонтированный в накопитель воды 14, соединен с подачей газа а 20 котлоагрегат 2 после редуцирующего устройства 15, а магистральный газопровод до редуцирующего устройства 15 через вентиль 39 и теплообменник 21 соединен со входом в кристаллизатор 13. Насос 9 соеди- 25 нен с накопителем воды 14 трубопроводом: с вентилем 40, а с кристаллизатором 13 трубопроводом 41, при этом трубопровод с вентилем 33 подсоединен к всасывающей стороне насоса 9 между вентилем 40 и насо- 30 сом 9. Магистральный трубопровод 1 до редуцирующего устройства 15 через вентиль

42 соединен с холодильной машиной 12, а трубопроводом 43 через вентили 28 и 29 с емкостями 22 и 23 хранилища 16, В разрыв 35 трубопровода между конденсатором 18 и . теплообменником 19 установлен регулирующий вентиль 44.

Система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовы- 40 ми котлоагрегатами работает следующим образом (для примера рассмотрена работа электростанции на природном газе, состоящем из 71,59 метана, 10,89 этана и

17,43 пропана). 45

B период провала электрической нагрузки в магистральном газопроводе 1 существует избыток природного газа, при, этом осуществляют резервирование последнего путем подачи его по трубопроводу 50 с вентилем 39 при давлении 2 МПа через теплообменник 21 в кристаллизатор 13, где контактируют с водой подаваемой из нако пителя 14 через вентиль 40 насосом циркуляционной воды 9 через трубопровод 41 55 (вентиль 33 закрыт), и при температуре

278...279К образуют газовые гидраты природного газа с отводом теплоты охлаждения и гидратообразования хладоагентом, кипящим в теплообменнике 19, расположенном в зоне образования гидратов в кристаллизаторе 13. Пары холодильного агента сжимают компрессором холодильной машины 12 и направляют вначале в теплообменник 17; в котором отводят теплоту перегрева. нагревая часть воды сжимаемой насосом 8, при i этом температура паров хладоагента понйжается до 304К, а затем пары направляют в конденсатор 18, где конденсируют, сбрасывая теплоту кднденсации а окружающую среду, после чего сконденсировавшийся агент дросселируют через регулирующий вентиль 44 и направляют вновь в теплообменник 19. На привод холодильной машины

12 через вентиль 42 направляют часть природного газа а газовую турбину, на выходе из которой газ имеет давление соответству- . ющее давлению газа подаваемого совместно . с воздухом в котлоагрегат на сжигание.

Охлажденный при расширении в турбине газ направляют в теплообменник 20, встроенный в кристаллизатор 13, для отвода теплоты кристаллизации гидратов (зарождения кристаллов) после чего производят доаыращивание кристаллов, отводя теплоту гидратообразования теплообменником 19.

Суспензию (смесь гидратоа и воды) из кристаллизатора 13 через вентили 32 и 26 направляют в одну иэ емкостей, например 22, в которой проводят частичное осушение суспензии вследствие отделения кристаллов от воды, циркулирующей через вентили

24 и 34 в накопитель воды 14, откуда через вентиль 40 насосом 9 через трубопровод 41

BHoBb в кристаллиэатор 13 на образование гидратов. После заполнения емкости 22 закрывают вентили 26 и 24 открывают вентили

27 и 25 и аналогично проводят заполнение гидратами емкости 23. Из теплообменника

20 газ направляют через теплообменник 21, а котором он нагревается до температуры на 5...8 градусоа ниже температуры газа а магйстральном газопроводе, в магистральный газопровод после редуцирующего устройства 15, после чего гаэ направляют в котлоагрегат на сжигание, продукты сгорания выводят через трубопровод 37, а теплоту сгорания используют для парообразования сжатой насосом 8 воды, пар которой подают а турбину 3 для выработки электроэнергии в электрогенератора "

5. Водяной пар после турбины 3 подают а конденсатоо 7, где он конденсируется за счет отвода тепла а окружающую среду с помощью воды циркулирующей насосом 10 через градирню 11. Из конденсатора 7 вода насосом 8 рециркулирует вновь в котлоагрегат 2 на образование пара. В период пика электрической нагрузки, либо, при нехватке газа а магистральном газопроводе, проао- .

1816874

1 дят подпитку установки зарезервированным газом из емкостей хранилища. Для это-. го, например, открывают вентиля 31 и 36 сообщая емкость 23 с подачей газа в котлоагрегат 2,.Так как давление в емкости 23 понижается до давления 600 кПа, что ниже равновесного давления существования гидратов, то последние начинают разла- гаться на воду и газ, Газ подают в котлоагрегат 2 через вентиль 36 (либо, если давление rasa значительно выше давления в котлоагрегате, например, для работы на метане это давление составит 2000 кПа, то газ подают в котлоагрегат 2 не через вентиль 36, а через вентиль 35, газовую турбину 4, при этом попутно вырабатывая дополнительное кОличество энергии в электрогенераторе 6, после чего через теплообменник 38, в котором газ нагревают за счет бесконтактного подогрева водой в накопителе 14, направляют в котлоагрегат 2).

Для разложения гидратов необходимо подводить тепло, поэтому температура суспенэии в емкости 23 понижается, достигает криоскопической температуры воды, после чего происходит образование льда, теплота льдообразования расходуется на разложение гидфатов. После разложения всей массы гидратов в емкости 23, закрывают вентиль

31, открывают вентиль 30 и аналогично проводят разложение гидратов в емкости 22, . используя газ, полученный в результате разложения гидратов, для подпитки котлоагрегата 2, а затем и в остальных емкостях, которые для простоты на чертеже не показаны, По завершении пика электрической нагрузки (подпитки системы зарезервированн ым газом) продолжается работа электростанции в оптимальном режиме, без резервирования и использования зарезервировай ного газа, При очередном периоде провала элект-рической нагрузки и наличии в магистральном газопроводе 1 избытка природного газа вновь осуществляют резервирование последнего, для чего резервируемый природный газ подают под давлением 2 мПа через трубопровод 43 в одну из емкостей хранилища 16, например, через вентиль 28 в емкость .22. При контактировании газа с льдоводяной .суспензией„имеющей температуру 273К происходит образование гидратов из воды и газа и плавление кристаллов льда. Теплота плавления льда расходуется на отвод теплоты гидратообразования природного газа. При расплавлении всей массы льда в емкости 22 процесс гидратообразования в ней прекращается, а температура суспеиэии. состоящей из воды и гидратов, повышается и стремится к равновесной температуре существования гидратов при давлении 2 мПа, которая составляет 279.т.280К. В этот пери5 од закрывают вентиль 28 и открывают вентиль 29, аналогично образуют гидраты в очередной емкости хранилища, например, 23. Так как в емкости 22 образовали меньше гидратов, по сравнению с тем количеством, 10 которое обычно хранится в них, что обусловлено теплопотерями и необратимостями процессов, проводят дозаполнение емкостей хранилища дополнительной порцией гидратов, полученных подачей части резер15 вируемого природного газа через теплообменник,21 в кристаллизатор 13, где контактируют его с водой, подаваемой насосом 9 иэ накопителя 14 через вентиль 40 и трубопровод 41. В кристаллизаторе 13 при

20 давлении 2 мПа и температуре

278...279К образуют гидраты природного газа с отводом теплоты охлаждения и гидратообразования хладоагентом, кипящим в теплообменнике 19, расположенном в зоне

25 образования гидратов в кристаллизаторе

13, который циркулирует с помощью холодильной машины 12, как было описано выше. Суспензию (смесь воды и гидратов) выводят из кристаллизатора vt направляют

30 на дозаправкч емкости 22 хранилища 16 через вентили 32 и 26. В емкости 22 отделяют гидраты от воды, рециркулирующей через предварительно открытые вентили 24 и 33 на вход насоса 9.,При этом вентиль 40 за35 крывают. В случае превышения заданного.. уровня заполнения кристаллиэатора 13 часть воды через вентиль 34 сливают в ем кость 14. После оптимального заполнения емкости 22 хранилища гидратами, аналогич40 но проводят дозаполнение емкости 23, а затем и других емкостей хранилища 16 не показанных на чертеже, Заполнив все емкости хранилища прекращают образование гидратов, а станция продолжает работать в

45 оптимальном режиме, беэ резервирования и использования зарезервированного газа до очередного периода пика электрической нагрузки.

Преимущество заявляемого техниче50 ского решения заключается в повышении экономичности, обусловленной сокращением массы природного газа, переводимого через газогидратное состояние в кристаллизаторе, что позволяет помимо энергозатрат

55 сократить и габариты кристаллизатора.

Формула изобретения

1. Способ резервирования природного газа wa тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами путем образования газовых гидратов по крайней мере иэ части

1816874 резервируемого природного газа в зоне гидротообраэования и хранения их в местах хранения .зарезервированного газа в период провала электрической нагрузки, последующего использования зарезервированного 5 газа в период пика электрической нагрузки разложением гидратов с образованием льдоводяной суспензии и отделением воды и льда от газа, направляемого на сжигание в котлоагрегат для получения водяного па- 10 ра, направляемого в паровую турбину, о т ли ч а ю шийся тем, что, с целью повышения экономичности, образование гидратов части резервируемого газа ведут контактированием газа с льдоводяной суспенэией в 15 местах хранения зарезервированного газа, при этом теплоту гидратообразования отводят для плавления льда.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю. шийся тем, что часть резервируемого газа, перево- 20 димую в гидраты, определяют по зависимости и г г— где К вЂ” коэффициент, учитывающий потери тепла в результате теплопритоков и необратимостей процессов в емкости хранилища;

Л Н вЂ” теплота образования гидратов 30 природного газа, к ж/кг газа;

А — удельная масса гидрата, кг гидр./кг газа;

Ч"- объемная доля воды в гидратной суспензии в местах хранения зарезервированного газа; р,,р — плотности, соответственно воды и гидрата, кг/мз;

CpS — удельная теплоемкость воды, кДж/кг град;

ЬТ- разность температур между равновесной температурой хранения газа и температурой образования гидратов, град.

3. Система резервирования природного газа на тепловых электростанциях с газовыми котлоагрегатами, состоящая из соединенных трубопроводами с вентилями магистрального газопровода с редуцирующим устройством, котлоагрегата, паровых и газовых турбин, электрогенераторов, конденсатора. градирни, насосов питательной и циркуляционной вод, а также хранилища природного газа, включающего несколько скоммутированных по газу, воде и гидратам газа емкостей, кристаллизатор со встроенными теплообменниками и накопитель воды с теплообменником, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, каждая иэ емкостей хранилища дополнительно подсоединена посредством трубопровода с вентилем к магистральному газопроводу до редуцирующего устройства.