Установка для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа

 

Использование: техника хранения и транспортировки природного газа. Сущность изобретения: установка содержит n параллельно работающих энергоблоков, каждый из которых состоит из турбодетандера с синхронным генераором на валу и преобразователем частоты. Дополнительный энергоблок содержит дополнительную турбину, включенную в замкнутый циркуляционный контур, и синхронный генератор с преобразователем частоты. Дополнительных энергоблок осуществляет утилизацию тепловой энергии газа из подземного хранилища и воздуха окружающей среды. Режим отбора газа из подземного хранилища регулируют с помощью преобразователей частоты основных энергоблоков, управляемых сигналом от регулятора расхода. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике хранения и транспортировки природного газа и может быть использовано на подземных хранилищах газа в газовой промышленности.

Известны установки для утилизации энергии газа, в том числе и на подземных хранилищах газа, содержащие турбодетандеры, включенные в трубопроводные линии газа высокого давления, теплообменники, электрические генераторы, сочлененные с турбодетандерами [1, 2].

В известных установка избыточную энергию сжатого газа с помощью турбодетандера и электрического генератора преобразуют в электрическую, которую затем передают в сеть электроснабжения.

Известные установки обладают низкой эффективностью, поскольку они утилизируют лишь часть энергии газа - его потенциальную энергию сжатого состояния.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для утилизации энергии газа, которая может быть использована и на подземном хранилище газа [3]. Установка содержит замкнутый циркуляционный контур, заполненный хладоносителем (этаном), с включенным в него циркуляционным нагнетателем, испарителем, первый и вторым теплообменниками, энергоблок, включающий в себя синхронный генератор с установленным на его валу турбодетандером и соединенный с сетью электроснабжения. Кроме того, установка содержит трубопроводную линию газа высокого и низкого давления, магистральный газопровод. В известной установке замкнутый циркуляционный контур, заполненный этаном, выполняет функции промежуточного теплоносителя для обеспечения требуемых кондиций транспортируемого газа.

Недостатками известной установки являются низкая эффективность утилизации энергии газа, поскольку в ней используется лишь часть энергии газа - его потенциальная энергия сжатого состояния. Кроме того, в известной установке не обеспечиваются требуемые кондиции транспортируемого газа при его смешивании с газом в магистральном газопроводе. В этом случае из-за различия температур газа в магистральном газопроводе и газа на выходе из установки возможно образование гидратных пробок в магистральном газопроводе, что снижает его пропускную способность.

Цель изобретения - повышение эффективности утилизации энергии газа.

На фиг.1 приведена технологическая схема установки для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа; на фиг.2 приведена технологическая схема установки с двумя двухполостными теплообменниками; на фиг.3 приведена технологическая схема установки с унифицированными энергоблоками.

Установка (фиг. 1) содержит блок 1 очистки-осушки газа, соединенный с подземным хранилищем 2 газа с помощью системы скважин 3, и посредством трубопроводной линии 4 газа высокого давления соединен с входом первой полости трехполостного теплообменника 5. Установка содержит n одинаковых энергоблоков, каждый из которых состоит из турбодетандера 6 с установленным на валу синхронным генератором 7, и преобразователь 8 частоты, вход которого соединен с выходом синхронного генератора 7, а выход соединен с сетью 9 электроснабжения. Входы всех турбодетандеров 6 соединены между собой и с выходом первой полости теплообменника 5. Выходы всех турбодетандеров 6 соединены между собой и с входом первой полости конденсатора 10. Выход первой полости конденсатора 10 через вторую полость теплообменника 5 соединен с трубопроводной линией 11 газа низкого давления, которая соединена с магистральным газопроводом 12. Вспомогательный энергооблок содержит вспомогательную турбину 13 с установленным на ее валу вспомогательным синхронным генератором 14 и вспомогательный преобразователь 15 частоты, вход которого соединен с выходом вспомогательного синхронного генератора 14, а выход - с сетью 9 электроснабжения. Выход вспомогательной турбины 13 через вторую полость конденсатора 10 соединен с входом циркуляционного насоса 16, а его выход - через испаритель 17, третью полость теплообменника 5 соединен с входом вспомогательной турбины 13. Управляющие входы преобразователей 8 частоты соединены между собой и с управляющими входами турбодетандеров 6 и с выходом регулятора 18 расхода газа, первый вход которого соединен с выходом первого датчика 19 расхода газа, установленного на магистральном газопроводе 12, а второй вход соединен с выходом второго датчика 20 расхода газа, установленного на трубопроводной линии 11 газа низкого давления.

Установка (фиг. 2) вместо трехполостного теплообменника 5 (см. фиг.1) содержит первый двухполостной теплообменник 21, первая полость которого соединена на входе с трубопроводной линией 4 газа высокого давления, а на выходе - с первой полостью второго двухполостного теплообменника 22. Входы всех n турбодетандеров 6 соединены между собой и с выходом первой полости второго двухполостного теплообменника 22. Выходы турбодетандеров 6 соединены между собой и с входом первой полости конденсатора 10, выход которой через вторую полость второго двухполостного теплообменника 22 соединен с трубопроводной линией 11 газа низкого давления. Выход вспомогательной турбины 13 через вторую полость конденсатора 10 соединен с входом циркуляционного насоса 16, выход которого через испаритель 17, вторую полость первого двухполостного теплообменника 21 соединен с входом вспомогательной турбины 13.

Установка (фиг. 3) содержит n параллельно включенных унифицированных энергоблоков. Каждый унифицированный энергоблок, кроме турбодетандера 6 с синхронным генератором 7 на валу и преобразователем 8 частоты, конденсатора 10, циркуляционного насоса 16, испарителя 17, трехполостного теплообменника 5, содержит вспомогательную турбину 13, сочлененную с турбодетандером 6 посредством муфты 23. Входы первых полостей теплообменников 5 соединены между собой и с трубопроводной линией 4 газа высокого давления. Выходы вторых полостей теплообменников 5 соединены между собой и с трубопроводной линией 11 газа высокого давления. Вспомогательная турбина 13 вместе с конденсатором 10, циркуляционным насосом 16, испарителем 17, третьей полостью теплообменника 5 образует на каждом энергоблоке свой замкнутый циркуляционный контур.

Установка (фиг.1) работает следующим образом. В режиме отбора из подземного хранилища 2 газ высокого давления (100-150 ати) через системы скважин 3 поступает на блок очистки-осушки газа, где его очищают от механических примесей, удаляют газовый конденсат и осушают от водяных паров. После блока 1 очистки-осушки газ высокого давления через трубопроводную линию 4 газа высокого давления и первую полость теплообменника 5 поступает на вход всех n турбодетандеров 5. Природный газ, расширяясь в проточной части турбодетандеров, преобразует свою потенциальную энергию сжатого состояния с помощью синхронных генераторов 7 и преобразователей 8 частоты в электрическую и передают в сеть 9 электроснабжения. Охлажденный газ низкого давления с выхода всех турбодетандеров 6 поступает в первую полость конденсатора 10 и осуществляет конденсацию теплоносителя во второй полости конденсатора 10, включенной в замкнутый циркуляционный контур. В качестве теплоносителя замкнутого циркуляционного контура, включающего вторую полость конденсатора 10, циркуляционный насос 16, испаритель 17, третью полость теплообменника 5, вспомогательную турбину 13, используют пропан, аммиак, углекислый газ, смеси этан-пропан-бутан или другие смеси. Сжиженный теплоноситель из второй полости конденсатора 10 с помощью циркуляционного насоса 16 подают на испаритель 17, где, используя тепло наружного воздуха, частично испаряется. Затем теплоноситель поступает в третью полость теплообменника 5, где он полностью испаряется за счет тепла газа, поступающего из подземного хранилища 2 газа (температура газа высокого давления на выходе подземного хранилища составляет 15-20^о С). Нагретый парообразный теплоноситель после теплообменника 5 поступает на вспомогательную турбину 13. В проточной части вспомогательной турбины 13 парообразный теплоноситель расширяется с передачей энергии на вал вспомогательного синхронного генератора 14, а затем через вспомогательный преобразователь частоты 15 - в сеть 9 электроснабжения. После вспомогательной турбины 13 теплоноситель поступает во вторую полость конденсатора 10, где он конденсируется. С выхода первой полости конденсатора 10 природный газ низкого давления через вторую полость теплообменника 5, трубопроводную линию 11 газа низкого давления поступает в магистральный газопровод 12. В установке (фиг.1) потенциальную энергию сжатого газа из подземного хранилища 2 утилизируют с помощью турбодетандеров 6 n энергоблоков (с учетом КПД турбодетандеров), а тепловую энергию газа из подземного хранилища и (частично) тепловую энергию окружающего воздуха утилизируют с помощью вспомогательного энергоблока (вспомогательная турбина 13, вспомогательный синхронный генератор 14, вспомогательный преобразователь 15 частоты). При этом в установке используют отдельные вспомогательные энергоблоки. Природный газ, поступающий через трубопроводную линию 11 газа низкого давления в магистральный газопровод 12, имеет одинаковую температуру и давление с газом магистрального газопровода 12. Это позволяет исключить образование гидратных пробок в магистральном газопроводе и обеспечить требуемую производительность магистрального газопровода при смешении двух потоков газа.

Регулирование режима отбора газа из подземного хранилища 2 газа обеспечивают с помощью преобразователей 8 частоты и направляющими аппаратами турбодетандеров 6, которые имеют возможность изменить величину электрической мощности, отдаваемую в сеть электроснабжения, в зависимости от соотношения расхода газа в магистральном газопроводе 12 и в трубопроводной линии 11 газа низкого давления. Контроль величины расходов газа в упомянутых выше объектах осуществляют первый 18 и второй 20 датчики расхода, а регулятор 18 расхода осуществляет преобразование соотношения расхода в электрический сигнал, который поступает на управляющие входы всех n преобразователей 8 частоты и управляющие входы турбодетандеров 6. Величина электрической мощности, отдаваемой энергоблоком в сеть 9 электроснабжения (следовательно, и тормозной момент на валу турбодетандеров 6), определяется углом открытия тиристоров (фиг.1 не показаны) преобразователей 8 частоты, который изменяют сигналом от регулятора 18 расхода. Кроме того, использование регулируемых по упомянутому выше параметру преобразователей 8 частоты в энергоблоке позволяет обеспечит устойчивый режим синхронных генераторов 7 с сетью 9 электроснабжения при различной частоте вращения турбодетандеров 6. По существу, при несинхронной работе синхронных генераторов 7 между собой и с сетью 9 электроснабжения, обеспечивают стабильную частоту сети электроснабжения, которая определяется частотой в данной энергосистеме (около 50 Гц). При этом частота каждого из n синхронных генераторов 7 различна и определяется режимом работы турбодетандеров 6 и балансом мощности, отдаваемой в сеть электроснабжения 9 и развиваемой турбодетандерами 6.

В режиме закачки газа в подземном хранилище 2 газа производят замену проточных частей турбодетандеров 6, которые переводят в режим центральных нагнетателей, а синхронные генераторы 7 переводят в режим синхронных электродвигателей с регулируемой частотой вращения и с питанием от сети 9 электроснабжения через преобразователи 8 частоты. Отбор газа для закачки в подземное хранилище 2 газа производят через трубопроводную линию 11 газа низкого давления, вторую полость теплообменника 5, турбодетандеры 6 (работающие в режиме нагнетателей), где его компримируют, первую полость теплообменника 5, трубопроводную линию 4 газа высокого давления, блок 1 очистки-осушки газа и подают на систему скважин 3. В режиме закачки газа в подземное хранилище 2 газа вспомогательный энергоблок не работает, а теплообменник 5 может выполнять функции аппарата охлаждения закачиваемого газа.

Установка (фиг.2) работает аналогично установке по фиг.1. При этом газ из подземного хранилища 3 газа, проходя через первую полость первого двухполостного теплообменника 21, отдает тепло теплоносителю из второй полости теплообменника 21. С выхода первой полости теплообменника 21 газ поступает в первую полость второго двухполостного теплообменника 22, где он дополнительно охлаждается и затем поступает на входы турбодетандеров 6. С выхода всех турбодетандеров охлажденный газ поступает во вторую полость конденсатора 10, где он вызывает конденсацию теплоносителя замкнутого циркуляционного контура, затем через вторую полость второго теплообменника 22, трубопроводную линию 11 газа высокого давления газ поступает в магистральный газопровод 12. Замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем охватывает вторую полость первого теплообменника 21, испаритель 17, циркуляционный насос 16, вторую полость конденсатора 10 и вспомогательную турбину 13. С точки зрения утилизации энергии газа с наибольшей эффективностью установки по фиг.1 и 2 эквивалентны.

В режиме закачки газа в подземное хранилище 2 газа производят замену проточной части всех турбодетандеров 6, которые переводят в режим центробежных нагнетателей. Переводят синхронные генераторы 7 в двигательный режим с питанием от преобразователей 8 частоты, т.е. в режим регулируемого по частоте синхронного электродвигателя. В режиме закачки второй теплообменник 22 выполняет функции аппарата охлаждения закачиваемого газа, а вспомогательный энергоблок при этом не работает.

Установка по фиг.3 работает следующим образом. В режиме отбора газа из подземного хранилища 2 газ через систему скважин 3 поступает на блок 1 очистки-осушки газа, где его очищают от механических примесей и осушают.

С выхода блока 1 очистки-осушки газ высокого давления (100-150 ати) через трубопроводную линию 4 газа высокого давления поступает в первую полость всех n теплообменников 5 и затем на вход турбодетандеров 6 всех n энергоблоков. С выхода турбодетандера охлажденный газ низкого давления поступает в первую полость соответствующего конденсатора 10 и вызывает конденсацию теплоносителя во второй полости, затем газ нагревают во второй полости соответствующего теплообменника 5 и через трубопроводную линию 11 низкого давления поступает в магистральный газопровод 12. Жидкий теплоноситель из второй полости соответствующего конденсатора 10 с помощью соответствующего циркуляционного насоса 16 подают на соответствующий испаритель 17, где он частично испаряется, затем подают в третью полость соответствующего теплообменника 5, где он полностью испаряется за счет тепла газа, поступающего из подземного хранилища. После теплообменника 5 парообразный теплоноситель поступает на соответствующую вспомогательную турбину 13, которая через муфту 23 передает энергию на вал синхронного генератора 7.

В режиме закачки газа в подземном хранилище 2 газа производят замену проточной части всех турбодетандеров 6 и отсоединяют вспомогательные турбины 13 с помощью муфт 23. Переводят синхронные генераторы 7 в режим частотно-регулируемого синхронного электродвигателя с питанием от соответствующего преобразователя 8 частоты. Газ из магистрального газопровода 12 через трубопроводную линию 11 газа низкого давления, вторые полости соответствующих теплообменников 5, первые полости соответствующих теплообменников 5, трубопроводную линию 4 газа высокого давления, блок 1 очистки-осушки, систему скважин 3 подают в подземное хранилище 2. При этом теплообменники 5 выполняют функции аппаратов охлаждения газа. Охлаждение газа, подаваемого в подземное хранилище, можно осуществлять в теплообменниках 5.

В режиме закачки газа в подземное хранилище 2 регулятор 18 расхода не вырабатывает управляющий сигнал для преобразователей 8 частоты. В этом случае предусмотрена специальная система автоматического регулирования (на чертежах не показана) энергетических агрегатов как для газоперекачивающих агрегатов.

По сравнению с установками фиг.1 и 2, установка по фиг.3 обладает тем преимуществом, что состоит из n унифицированных (одинаковых) энергоблоков, которые могут работать параллельно в любом сочетании (сочетание рабочих и резервных энергоблоков. Кроме того, в зависимости от емкости подземного хранилища оно может быть снабжено различным количеством унифицированных энергоблоков. Однако использование двухполостных теплообменников (фиг.2) позволяет повысить экономичность оборудования и упрощает их эксплуатацию. Использование двухполостных теплообменников в установке по фиг.3 взамен трехполостных имеет указанные выше достоинства, но при этом резко увеличивается количество теплообменников для одного подземного хранилища. Поскольку отбор газа из подземного хранилища производят, как правило, в зимнее время, а закачку производят в летнее время, то для повышения мощности вспомогательной турбины испарители 17 могут быть выполнены с возможностью обогрева продуктами сгорания природного газа. Эти условия могут возникнуть при дефиците энергии в энергосистеме во время максимума нагрузок.

В установке (фиг.1-3) обеспечивается высокая эффективность утилизации энергии газа на подземном хранилище, поскольку кроме утилизации потенциальной энергии сжатого газа (утилизируемый турбодетандерами) утилизируют также тепловую энергию подземных пластов и воздуха окружающей среды. Это стало возможным благодаря использованию технологической схемы с выделением низкотемпературного газа на выходе турбодетандера и использованию этого холода. Для установки (фиг.1, 2) с тремя энергоблоками мощностью 6,3 МВт каждый требуемая мощность вспомогательного агрегата (турбина 13, генератор 14) составляет 4,5-6 МВт.

Экономическая эффективность использования данной установки определяется величиной электрической энергии, отдаваемой в сеть электроснабжения, с учетом того, что выработка электроэнергии и ее передача в энергосистему осуществляются во время дефицита при зимнем максимуме электропотребления.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ГАЗА НА ПОДЗЕМНОМ ХРАНИЛИЩЕ ГАЗА, содержащая магистральный трубопровод, линию газа высокого давления, подключенную к скважине, линию газа низкого давления, подключенную к магистральному трубопроводу, циркуляционный контур хладоносителя, включающий нагнетатель, испаритель и теплообменник, подключенный двумя другими полостями к линии газа высокого и низкого давления, и энергоблок, состоящий из синхронного генератора и установленного с ним на одном валу турбодетандера, причем последний через теплообменник соединен на входе с линией высокого давления, а на выходе - с линией низкого давления, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности утилизации, установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным энергоблоком, причем входы и выходы турбодетандеров блоков соединены между собой, блоком очистки-осушки газа, установленным на линии высокого давления после скважины, и регулятором расхода газа с датчиками расхода, один из которых установлен на магистральном трубопроводе, а другой - на линии газа низкого давления, каждый энергоблок снабжен преобразователем частоты, соединенным с генератором и электросетью, а циркуляционный контур снабжен конденсатором, установленным перед нагнетателем и подключенным второй полостью к линии низкого давления, и турбиной с расположенными на ее валу синхронным генератором и преобразователем частоты, соединенным с электросетью, турбина на входе подключена к теплообменнику, а на выходе - к конденсатору циркуляционного контура, а регулятор расхода соединен с управляющими входами преобразователей частоты и турбодетандеров, причем проточные части последних выполнены сменными.

2. Установка для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа, содержащая магистральный трубопровод, линию газа высокого давления, подключенную к скважине, линию газа низкого давления, подключенную к магистральному трубопроводу, циркуляционный контур хладоносителя, включающий нагнетатель, испаритель и теплообменник, подключенный двумя другими полостями к линии газа высокого и низкого давления, и энергоблок, состоящий из синхронного генератора и установленного с ним на одном валу турбодетандера, причем последний через теплообменник соединен на входе с линией высокого давления, а на выходе - с линией низкого давления, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности утилизации, установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным энергоблоком, одним дополнительным циркуляционным контуром, блоком очистки-осушки газа, установленным на линии высокого давления после скважины, и регулятором расхода газа с датчиками расхода, один из которых установлен на магистральном трубопроводе, а другой - на линии газа низкого давления, каждый энергоблок снабжен преобразователем частоты, соединенным с генератором и электросетью, а каждый циркуляционный контур - конденсатором, установленным перед нагнетателем и подключенным второй полостью к линии низкого давления, и турбиной, которая установлена на одном валу с детандером соответствующего энергоблока и подключена на входе к теплообменнику, а на выходе - к конденсатору циркуляционного контура, а регулятор расхода соединен с управляющими входами преобразователей частоты и турбодетандеров, причем проточные части последних выполнены сменными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3