Установка для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа

 

Использование: в технике для транспортировки и хранения природного газа. Сущность изобретения: установка содержит n параллельно работающих энергоблоков, каждый из которых состоит из турбодетандера с синхронным генератором на валу и преобразователем частоты. Установка содержит также сепаратор газового конденсата, который подается в замкнутый циркуляционный контур. Вспомогательный энергоблок содержит вспомогательную турбину, включенную в замкнутый циркуляционный контур, и синхронный генератор с преобразователем частоты. Потенциальную энергию газа из подземного хранилища утилизируют с помощью основных энергоблоков и передают в сеть электроснабжения. Полученный на выходе турбодетандеров охлажденный природный газ используют для работы вспомогательной турбины, работающей в замкнутом циркуляционном контуре с теплоносителем. Вспомогательный 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. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известны установки для утилизации энергии газа, в том числе и на подземных хранилищах газа, содержащие турбодетандеры с электрическими генераторами на валу и подводящие трубопроводные линии высокого и низкого давления. В известных установках избыточную энергию сжатого газа с помощью турбодетандеров и электрических генераторов преобразуют в электрическую, которую затем передают в сеть электроснабжения.

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

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является установка для утилизации энергии газа, которая может быть использована и на подземном хранилище газа. Установка содержит замкнутый циркуляционный контур, заполненный теплоносителем (этаном), с включенными в него циркуляционным насосом, испарителем, первым и вторым теплообменниками. энергоблок, включающий в себя турбодетандер с установленным на его валу синхронным генератором, соединенным с сетью электроснабжения. Кроме того, установка содержит трубопроводную линию газа высокого и низкого давления, магистральный газопровод. В известной установке замкнутый циркуляционный контур, заполненный этаном, обеспечивает требуемый тепловой режим для достижения необходимых кондиций транспортируемого газа, исключающий формирование гидратных пробок в турбодетандере.

Недостатком известной установки является 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 резко снижает его пропускную способность.

Цель изобретения повышение эффективности утилизации энергии газа.

Цель достигается тем, что в установку для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа, содержащую энергоблок, включающий в себя синхронный генератор с установленным на его валу турбодетандером, трубопроводную линию газа высокого давления, трубопроводную линию газа низкого давления, магистральный газопровод, замкнутый циркуляционный контур и последовательно включенные в него циркуляционный насос, испаритель и теплообменник, при этом магистральный газопровод соединен с трубопроводной линией газа низкого давления, трубопроводная линия газа высокого давления через первую полость теплообменника соединена с входом турбодетандера, а вторая полость теплообменника соединена с трубопроводной линией газа высокого давления, введены конденсатор, блок очистки-осушки газа, сепаратор, первый и второй регулирующие вентили, регулятор расхода газа, первый и второй датчики расхода газа, вспомогательный энергоблок, включающий в себя вспомогательную турбину с установленным на ее валу вспомогательным синхронным генератором и вспомогательный преобразователь частоты, n энергоблоков, где n 1, 2, 3, каждый из которых включает в себя преобразователь частоты, подсоединенный входом к выходу соответствующего синхронного генератора, а выходом к сети электроснабжения. При этом входы всех турбодетандеров соединены между собой и с первым выходом сепаратора, вход которого соединен с выходом первой полости теплообменника, а выходы всех турбодетандеров, выполненных со сменными проточными частями, соединены между собой и с входом первой полости конденсатора, выход которой соединен с второй полостью теплообменника. Кроме того, к входу трубопроводной линии газа высокого давления подсоединен блок очистки-осушки газа, а выход вспомогательной турбины через вторую полость конденсатора соединен с циркуляционным насосом. Вход вспомогательной турбины через третью полость теплообменника соединен с выходом испарителя, а второй выход сепаратора соединен с входом первого и второго регулирующих вентилей. Выход первого регулирующего вентиля соединен с выходом первой полости конденсатора, а выход второго регулирующего вентиля соединен с входом испарителя и выходом циркуляционного насоса. Выход первого датчика расхода газа, установленного на магистральном газопроводе, соединен с первым входом регулятора расхода газа, второй вход которого соединен с выходом второго датчика расхода газа, установленного на трубопроводной линии газа низкого давления, а выход регулятора расхода газа соединен с управляющими входами преобразователей частоты энергоблоков и управляющими входами турбодетандеров.

В установку введены первый и второй двухполостные теплообменники, при этом трубопроводная линия газа высокого давления через первые полости первого и второго двухполостного теплообменника соединена с входом сепаратора, трубопроводная линия газа низкого давления через вторую полость второго двухполостного теплообменника соединена с выходом первой полости конденсатора, а вход вспомогательной турбины через вторую полость первого двухполостного теплообменика соединен с выходом испарителя.

Известны технические решения, в которых осуществляются утилизация энергии сжатого газа и дальнейшее ее преобразование в электрическую с помощью турбин и электрических генераторов. Однако в известных решениях отсутствуют средства для дополнительного преобразования низкотемпературной тепловой энергии в электрическую, не обусловленную потенциальной энергией сжатого газа. В известных решениях отсутствуют также средства для изменения режима магистрального газопровода и режима отбора газа из подземного хранилища газа с помощью регулируемого преобразователя частоты, связанного с сетью электроснабжения и синхронным генератором, имеющего переменную частоту вращения, что подтверждает соответствие заявленного технического решению критерию "существенные отличия".

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

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 с входом первой полости трехполостного теплообменника 5. Установка содержит n одинаковых энергоблоков, каждый из которых состоит из турбодетандера 6 с установленным на его валу синхронным генератором 7 и преобразователя 8 частоты, вход которого соединен с выходом синхронного генератора 7, а выход с сетью 9 электроснабжения. Выходы всех турбодетандеров 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 энергоблок содержит вспомогательную турбину 13 с установленным на ее валу 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, с управляющими входами турбодетандеров 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 с выходом второго датчика 20 расхода газа, установленного на трубопроводной линии 11 газа низкого давления. Выход первой полости теплообменника 5 соединен с входом сепаратора 21, первый выход которого соединен с входами турбодетандеров 6, а второй выход с входами первого 22 и второго 23 регулирующих вентилей. Выход первого регулирующего вентиля 22 соединен с выходом первой полости конденсатора 10, а выход второго регулирующего вентиля 23 с входом испарителя 17.

Установка (фиг. 2) содержит первый двухполостный теплообменник 24 и второй двухполостный теплообменник 25, первые полости которых соединены последовательно между собой. Выход первой полости второго двухполостного теплообменника 25 соединен с входом сепаратора 21, а вход первой полости первого двухполостного теплообменника 24 соединен с трубопроводной линией 4 газа высокого давления. Выход первой полости конденсатора 10 через вторую полость второго двухполостного теплообменника 25 соединен с трубопроводной линией 11 газа низкого давления, а выход испарителя 17 через вторую полость первого двухполостного теплообменника 24 соединен с входом вспомогательной турбины 13.

Установка (фиг. 1) работает следующим образом.

В режиме отбора газа из подземного хранилища 2 газ высокого давления (100-150 ати) через систему скважин 3 поступает на блок 1 очистки-осушки газа, где он очищается от механических примесей и осушается от водяных паров. После блока очистки-осушки газа газ высокого давления через трубопроводную линию 4 поступает в первую полость теплообменника 5, где он отдает тепло теплоносителю из замкнутого циркуляционного контура. С выхода первой полости теплообменника 5 холодный газ поступает в сепаратор 21, в котором из поступающего газа выделяется газовый конденсат. Очищенный от газового конденсата газ высокого давления через первый выход сепаратора 21 поступает на входы всех турбодетандеров 6. Природный газ расширяется в проточной части турбодетандеров 6, при этом потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в механическую и передается на вал синхронных генераторов 7, а затем электроэнергия через преобразователи 8 частоты поступает в сеть 9 электроснабжения. Охлажденный до температуры ниже температуры конденсации теплоносителя газ низкого давления с выхода всех турбодетандеров 6 поступает в первую полость конденсатора 10, где осуществляет конденсацию теплоносителя из второй полости конденсатора 10, включенного в замкнутый циркуляционный контур. В качестве теплоносителя замкнутого циркуляционного контура используется газовый конденсат, который поступает из сепаратора 21 через его второй выход, а затем через второй регулирующий вентиль 23 в замкнутый циркуляционный контур на вход испарителя 17. Поступление газового конденсата из сепаратора 21 в замкнутый циркуляционный контур компенсирует потери теплоносителя этого контура, а оставшееся количество газового конденсата из сепаратора 21 через первый регулирующий вентиль 22 подается в газ низкого давления, поступающий в магистральный газопровод 12 для увеличения его теплотворной способности. Сжиженный газовый конденсат из второй полости конденсатора 10 с помощью циркуляционного насоса 16 подается в испаритель 17, где, используя тепло наружного воздуха, частично испаряется. Затем частично испаренный конденсат поступает в третью полость теплообменника 5, где он полностью испаряется за счет теплообмена с газом, поступающим из подземного хранилища 2 газа (температура газа высокого давления на выходе из подземного хранилища составляет 15-20^оС). Нагретый парообразный теплоноситель после теплообменника 5 поступает в проточную часть вспомогательной турбины 13, где расширяется с передачей энергии на вал вспомогательного синхронного генератора и далее в сеть 9 электроснабжения через вспомогательный преобразователь 15 частоты. После вспомогательной турбины 13 газовый конденсат поступает во вторую полость конденсатора 10, где он конденсируется, а затем поступает на вход циркуляционного насоса 16. С выхода первой полости конденсатора 10 природный газ низкого давления поступает во вторую полость теплообменника 5, где он нагревается, и затем через трубопроводную линию 11 газа низкого давления поступает в магистральный газопровод 12. В установке (фиг. 1) потенциальная энергия сжатого газа, поступающего из подземного хранилища 2, утилизируется с помощью турбодетандеров 6 энергоблоков, а тепловая энергия газа от подземного хранилища 2 и (частично) тепловая энергия окружающего воздуха утилизируются с помощью вспомогательного энергоблока (вспомогательная турбина 13, вспомогательный синхронный генератор 14 и вспомогательный преобразователь 15 частоты). Природный газ, поступающий через трубопроводную линию 11 газа низкого давления в магистральный газопровод 12, имеет примерно одинаковые 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 обеспечивают с помощью преобразователей 8 частоты, которые имеют возможность изменить величину электрической мощности, отдаваемую в сеть 9 электроснабжения, в зависимости от соотношения расходов газа в магистральном газопроводе 12 и в трубопроводной линии 11 газа низкого давления. Контроль величины расходов газа в упомянутых объектах осуществляют первый 19 и второй 20 датчики расхода. Регулятор 18 расхода газа осуществляет преобразование соотношения расходов в электрический сигнал, который поступает на управляющие входы всех n преобразователей 8 частоты и на управляющие входы турбодетандеров 6. Величина электрической мощности, отдаваемой энергоблоком в сеть 9 электроснабжения (следовательно, и тормозной момент на валу турбодетандеров 6), определяется углом открывания тиристоров (не показаны) преобразователей 8 частоты, который изменяется сигналом от регулятора 18 расхода. Кроме того, использование регулируемых по упомянутому выше параметру преобразователей 8 частоты в энергоблоке позволяет обеспечить 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 электроснабжения обеспечивается стабильная частота сети электроснабжения, которая определяется частотой в данной энергосистеме (около 50 Гц). При этом частота каждого синхронного генератора 7 различна и определяется режимом работы соответствующего турбодетандера 6 и балансом мощности, отдаваемой в сеть 9 электроснабжения и развиваемой соответствующим турбодетандером.

В режиме закачки газа в подземном хранилище 2 производят замену проточных частей турбодетандеров 6, которые переводят в режим центробежных нагнетателей, а синхронные генераторы 7 переводят в режим синхронных электродвигателей с регулируемой частотой вращения и с питанием от преобразователей 8 частоты. Отбор газа для закачки в подземном хранилище 2 производят через трубопроводную линию 11 газа низкого давления, вторую полость теплообменника 5, первую полость конденсатора 10, турбодетандеры 6 (работающие в режим нагнетателей), где газ компримируют. Компримируемый газ затем через сепаратор 21, первую полость теплообменника 5, трубопроводную линию 4 газа высокого давления, блок 1 очистки-осушки газа подается на систему скважин 3. В режиме закачки газа закрыты регулирующие вентили 22 и 23, а вспомогательный энергоблок не работает. Теплообменник 5 в этом случае может выполнять функции аппарата охлаждения закачиваемого газа. При этом циркуляция теплоносителя осуществляется, минуя вспомогательную турбину 13.

Установка (фиг. 2) работает следующим образом.

Газ высокого давления из подземного хранилища 2, проходя через первую полость первого двухполостного теплообменника 24, отдает тепло газовому конденсату из второй полости двухполостного теплообменника 24, вызывая его испарение. Затем газ высокого давления поступает в первую полость второго двухполостного теплообменника 25, где дополнительно охлаждается газом, поступающим с выхода первой полости конденсатора 10, после чего газ поступает в сепаратор 21 и затем на входы турбодетандеров 6. С выхода всех турбодетандеров охлажденный газ поступает в первую полость конденсатора 10, где он вызывает конденсацию газового конденсата из его первой полости (образующий замкнутый циркуляционный контур). В магистральный газопровод 12 газ низкого давления поступает через трубопроводную линию 11. Замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем газовым конденсатом (преимущественно легкие фракции пропан, бутан или их смеси) включает в себя вспомогательную турбину 13, вторую полость двухполостного теплообменника 24, испаритель 17, циркуляционный насос 16, вторую полость конденсатора 10. Регулирование режима отбора газа из подземного хранилища 2 осуществляют с помощью преобразователей 8 частоты и направляющими аппаратами турбодетандеров 6 сигналом от регулятора 18 расхода газа. Использование двухполостных теплообменников 24 и 25 взамен трехполостного (фиг. 1) позволяет упростить технологическое оборудование и снизить его стоимость.

В режиме закачки газа в подземном хранилище 2 (фиг. 2) производят замену проточных частей турбодетандеров 6, которые переводят в режим центробежных нагнетателей. Переводят синхронные генераторы 7 в режим синхронных электродвигателей с регулируемой частотой вращения и с питанием от сети 9 электроснабжения через преобразователи 8 частоты. В этом случае теплообменник 24 может выполнять функции аппарата охлаждения закачиваемого газа, а вспомогательный энергоблок не работает. В режиме закачки газа регулирующие вентили 22 и 23 закрыты.

Поскольку отбор газа из подземного хранилища производят, как правило, в зимнее время, а закачку производят в летнее время, то для повышения мощности вспомогательной турбины 13 испаритель 17 может быть выполнен с возможностью обогрева продуктами сгорания природного газа. Эти условия могут возникать при дефиците генерирующих мощностей в энергосистеме во время максимума нагрузок.

В установке (фиг. 1 и 2) обеспечивается высокая эффективность утилизации энергии газа на подземном хранилище, поскольку кроме утилизации потенциальной энергии сжатого газа (утилизируемой турбодетандерами) утилизируют также тепловую энергию подземных пластов и воздуха окружающей среды. Это стало возможным благодаря использованию технологической схемы с получением низкотемпературного газа на выходе турбодетандера и использованию этого холода. Для установки 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 энергоблок, включающий в себя турбодетандер с генератором, трубопроводы низкого и высокого давлений, магистральный трубопровод, замкнутый циркуляционный контур с включенными в него конденсатором, теплообменником и испарителем, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности процесса утилизации энергии газа, теплообменник выполнен трехполостным, а установка дополнительно содержит блок очистки-осушки газа, циркуляционный насос, сепаратор, первый и второй регулирующие вентили, регулятор расхода газа, первый и второй датчики расхода газа, вспомогательный электроблок, включающий в себя вспомогательную турбину с синхронным генератором и преобразователь частоты, n энергоблоков, где n ≥ 1, каждый из которых включает преобразователь частоты, соединенный через синхронный генератор с сетью электроснабжения, причем трубопровод высокого давления подключен последовательно через блок очистки-сушки и первую полость теплообменника к входу в сепаратор, к первому выходу последнего подключены входы всех турбодетандеров, параллельно соединенных между собой, выходы турбодетандеров через первую полость конденсатора, выход первого регулирующего вентиля, вторую полость теплообменника и трубопровод низкого давления соединен с магистральным трубопроводом, а второй выход сепаратора с входами первого и второго регулирующих вентилей, выход первого регулирующего вентиля подсоединен к контуру между первой полостью конденсатора и второй полостью теплообменника, а выход второго регулирующего вентиля между циркуляционным насосом и испарителем, выход вспомогательной турбины через вторую полость конденсатора, циркуляционный насос, выход второго регулирующего вентиля, испаритель и третью полость теплообменника соединен с входом турбины, а выход первого датчика расхода газа, установленного на магистральном газопроводе, соединен с первым входом регулятора расхода газа, второй вход которого соединен с выходом второго датчика расхода газа, установленного на трубопроводе газа низкого давления, выход регулятора расхода газа соединен с управляющими входами турбодетандеров и преобразователей частоты энергоблоков.

2. Установка для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа, содержащая энергоблок, включающий турбодетандер с генератором, трубопроводы низкого и высокого давлений, магистральный трубопровод, замкнутый циркуляционный контур с включенными в него конденсатором, теплообменником и испарителем, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности процесса утилизации энергии газа, установка снабжена блоком очистки-осушки газа, циркуляционным насосом, сепаратором, другим теплообменником, первым и вторым регулирующими вентилями, регулятором расхода газа, первым и вторым датчиками расхода газа, вспомогательным электроблоком, включающим в себя вспомогательные турбину с синхронным генератором и преобразователем частоты, n энергоблоков, где n ≥ 1, каждый из которых включает в себя преобразователь частоты, соединенный через генератор с сетью электроснабжения, причем теплообменники выполнены двухполостными, входы всех турбодетандеров со сменными проточными частями параллельно соединены между собой и с первым выходом сепаратора, а выходы всех турбодетандеров соединены между собой и через первую полость конденсатора, выход первого регулирующего вентиля, первую полость другого теплообменника и трубопровод низкого давления с магистральным трубопроводом, причем выход первого регулирующего вентиля подсоединен к контуру между первой полостью конденсатора и первой полостью другого теплообменника, а выход второго регулирующего вентиля между циркуляционным насосом и испарителем, трубопровод высокого давления подключен последовательно через блок очистки-осушки и вторые полости теплообменников к входу в сепаратор, второй выход последнего соединен с входами первого и второго регулирующих вентилей, вспомогательная турбина включена в циркуляционный контур перед второй полостью конденсатора и после первой полости теплообменника, а циркуляционный насос между второй полостью конденсатора и испарителем, выход первого датчика расхода газа, установленного на магистральном газопроводе, соединен с первым входом регулятора расхода газа, второй выход которого соединен с выходом второго датчика расхода газа, установленного на трубопроводе газа низкого давления, а выход регулятора расхода газа соединен с управляющими входами турбодетандеров и преобразователей частоты энергоблоков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2