Способ работы турбодетандерной установки

 

Изобретение относится к турбодетандерным установкам. Природный газ высокого давления до турбодетандера дополнительно разделяют на два параллельных потока - эжектирующий природный газ и расширяемый в турбодетандере природный газ. Эжектирующий природный газ направляют в магистраль с регулировочным органом и активной частью эжектора. Природный газ после турбодетандера направляют до смешения с природным газом после редуктора давления в пассивную часть эжектора и смешивают в магистрали потребителя потоки природного газа после редуктора давления и после эжектора. В качестве потребителя мощности турбодетандера используют насос. Рабочую жидкость насоса направляют в два параллельных контура: замкнутый гидравлический контур, сопряженный с теплофикационной системой, и открытый гидравлический контур для питания гидротурбины. В результате повышается надежность и эффективность работы турбодетандерной установки. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к турбодетандерным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии и тепла без сжигания топлива при высоких экологических показателям и показателях надежности, особенно при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известен способ эффективного использования турбодетандеров для снижения избыточного давления природного газа на ГРС и ГРП взамен редукторов давления клапанного типа. Так, по техническому решению, принятому за аналог и представленному в рекламном проспекте "Внешторгиздат. Изд. N 01M032/5, 1989" турбодетандер в виде одноступенчатой центростремительной турбины работает на снижении давления природного газа расходом 4 кг/с и производит мощность в количестве 300 кВт. Эта мощность через редуктор передается электрогенератору. Таким образом, при снижении избыточного давления природного газа достигается положительный эффект - вырабатывается электроэнергия. Однако недостатком технического решения, принятого за аналог, является низкая надежность работы установки в целом за счет того, что в нем присутствует дополнительный узел - редуктор по снижению частоты вращения турбодетандера при передаче его мощности электрогенератору.

Известен способ повышения надежности получения электроэнергии при снижении избыточного давления природного газа на ГРС и ГРП, основанный на непосредственной (без редуктора) передачи мощности турбодетандера электрогенератору. Этот способ принят за прототип и представлен в рекламном проспекте "Внешторгиздат. Изд. N 01M31/5, 1989". Техническое решение по прототипу реализует на ГРС с расходом природного газа около 40 кг/с способ работы турбодетандерной установки на основе безредукторного соединения пятиступенчатой осевой турбины с электрогенератором мощностью 2,5 мВт (установка УТДУ-2500). Работа установки УТДУ-2500 на ГРС осуществляется следующим образом. Природный газ направляют из магистрали высокого давления к потребителю параллельно через редуктор давления ГРС и через турбодетандер, в котором снижают избыточное давление природного газа, и смешивают потоки природного газа после редуктора давления и турбодетандера в магистрали потребителя с поддержанием давления природного газа на требуемом потребителю уровне при изменении давления природного газа высокого давления до поступления его на ГРС, а получаемую мощность турбодетандера передают потребителю мощности. Таким образом, техническое решение по прототипу позволяет повысить надежность работы установки по получению электроэнергии на ГРС за счет прямой передачи (без редуктора) мощности турбодетандера к электрогенератору с частотой вращения n = 3000 об/мин. При этом давление природного газа на турбодетандере снижается с 2,2 до 1,0 МПа при исходной температуре газа, поступающего в турбодетандер, на уровне 283 K. Очевидно, что при расширении природного газа с 2,2 до 1,0 МПа его температура снижается и достигает в соответствии с описанием упомянутого рекламного проспекта до 243 K. Такая температура природного газа является недопустимой с точки зрения надежности работы ГРС по поставке газа потребителю. Кроме того, из-за ограниченного отношения давлений на трубодетандере (π_т= 2,2) удельный съем энергии с одного кг природного газа является низким, т.е. недостаточна эффективность использования потенциальной энергии природного газа.

Изобретение совместно решает задачи повышения надежности и эффективности способа работы турбодетандерной установки. Поставленные задачи решаются тем, что природный газ высокого давления до турбодетандера дополнительно разделяют на два параллельных потока - эжектирующий природный газ и расширяемый в турбодетандере природный газ, причем эжектирующий природный газ направляют в магистраль с регулировочным органом и активной частью эжектора, а природный газ после турбодетандера направляют до смешения с природным газом после редуктора давления в пассивную часть эжектора и смешивают в магистрали потребителя потоки природного газа после редуктора давления и после эжектора и в качестве потребителя мощности турбодетандера используют насос, рабочую жидкость которого направляют в два параллельных контура: замкнутый гидравлический контур, сопряженный с теплофикационной системой, и открытый гидравлический контур для питания гидротурбины.

Заявителю неизвестны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным.

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы турбодетандерной установки, представлена на фиг. 1. Она включает магистраль 1 природного газа высокого давления, магистраль 2 редуцируемого природного газа, магистраль 3 эжектирующего природного газа, магистраль 4 расширяемого природного газа, турбодетандер 5 с насосом 6, эжектор 7 с активной частью 8 и пассивной частью 9, редуктор давления 10, регулировочный орган 11, замкнутый гидравлический контур 12, запорный орган 13, расходную емкость 14, теплофикационную систему 15, открытый гидравлический контур 16, верхнюю разборную емкость 17, нижнюю емкость 18, гидротурбину 19 с потребителем 20 мощности, запорный орган 21 и магистраль 22 потребителя природного газа.

Работа установки, схематично представленной на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Природный газ высокого давления, поступающий из магистрали 1 высокого давления, разделяют на три параллельных потока: редуцируемый природный газ, поступающий по магистрали 2 в магистраль 22 через редуктор давления 10, эжектирующий природный газ, поступающий по магистрали 3 через регулировочный орган 11 в активную часть 8 эжектора 7, и расширяемый природный газ, поступающий по магистрали 4 через турбодетандер 5 в пассивную часть 9 эжектора 7. Смешение потоков редуцируемого природного газа и природного газа после эжектора 7 происходит в магистрали 22 потребителя. В турбодетандере 5 происходит снижение давления природного газа до величины, меньшей давления газа в магистрали 22. Это обеспечивает больший удельный съем энергии с одного кг природного газа по сравнению с турбодетандером по прототипу. Восстановление уровня давления природного газа после турбодетандера 5 до уровня давления в магистрали 22 производится с помощью эжектора 7, в котором эжектирующий природный газ высокого давления, поступающий в активную часть 8, повышает давление природного газа после турбодетандера 5. Снижение давления редуцируемого природного газа до уровня давления в магистрали 22 происходит в редукторе давления 10. Мощность турбодетандера 5 передается насосу 6, жидкость из которого поступают в два параллельных контура: закрытый гидравлический контур 12 и открытый гидравлический контур 16. Работа контуров 12 и 16 может осуществляться одновременно и раздельно, что регулируется положениями запорных органов 13 и 21. При работе только контура 12, что достигается полным закрытием запорного органа 21 при открытом запорным органе 13, жидкость после насоса 6 поступает в расходную емкость 14 и из нее снова в насос 6. При этом энергия давления жидкости переходит в тепловую энергию, что приводит к нагреву жидкости к расходной емкости 14. В результате нагревается теплоноситель в теплофикационной системе 15. При полностью закрытом запорном органе 13 и отрытом запорном органе 21 жидкость циркулирует по открытому гидравлическому контуру 16 с прохождением верхней разборной емкости 17, гидротурбины 19 с потребителем мощности 20 и нижней емкости 18, из которой жидкость снова направляется в насос 6. Емкости 17 и 18 соединены с атмосферой. Высота h (см. фиг. 1) в процессе работы насоса 6 поддерживается практически постоянной, что обеспечивает неизменную мощность гидротурбины 19.

Таким образом, при снижении давления природного газа в турбодетандере 5 обеспечивается высокий удельный съем энергии. При переменности давления природного газа в магистрали 1 мощность турбодетандера 5 может поддерживаться неизменной за счет изменения на нем отношения давлений путем изменения режима работы эжектора 7 с помощью регулировочного органа 11. Наличие магистрали 2 позволяет расширить диапазон работы установки, схематично представленной на фиг. 1, а также повышает надежность ее работы при выключении турбодетандера 5. При этом достигается возможность обеспечивать заданный уровень давления природного газа в магистрали 22 и выдерживать уровень его температуры не ниже 5^oC (278 K).

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета одного из вариантов работы установки, схематично представленной на фиг. 1, при следующих исходных данных: 1. Давление природного газа в магистрали 1, МПа - 2,2 2. Давление природного газа в магистрали 22, МПа - 0,65 3. Температура природного газа в магистрали 1, К - 283 4. Расход природного газа через турбодетандер 5, кг/с - 4 5. КПД турбодетандера 5 - 0,6 6. Температура природного газа в магистрали 22, К - 278 Расчеты показывают: максимальная получаемая мощность турбодетандера 5 при отношении давлений на нем π_т= 5,8 равна 210 кВт, потребный расход природного газа через магистраль 3 составляет 36 кг/с. Это дает возможность подавать потребителю подогретую на 70^oC воду в количестве 0,7 кг/с в системе 15 при работе контура 12 или дать потребителю 20 гидротурбины 19 мощность на уровне 140 кВт при работе контура 16. Повышенная надежность данного технического предложения обеспечивается использованием насоса в качестве привода турбодетандера. Применение водяного насоса позволяет, в частности, исключить образование взрывоопасных смесей природного газа и вспомогательных рабочих тел.

Предложенный способ работы турбодетандерной установки планируется внедрить в системе газораспределения РАО "Газпром" в 1997 году.

Формула изобретения

Способ работы турбодетандерной установки, заключающийся в направлении природного газа из магистрали высокого давления к потребителю параллельно через редуктор давления газораспределительной станции и через турбодетандер, в котором снижают избыточное давление природного газа, и смешивают потоки природного газа после редуктора давления и турбодетандера в магистрали потребителя с поддержанием давления природного газа на требуемом потребителю уровне при изменении давления природного газа высокого давления до поступления его на газораспределительную станцию, а получаемую мощность турбодетандера передают потребителю мощности, отличающийся тем, что природный газ высокого давления до турбодетандера дополнительно разделяют на два параллельных потока - эжектирующий природный газ и расширяемый в турбодетандере природный газ, причем эжектирующий природный газ направляют в магистраль с регулировочным органом и активной частью эжектора, а природный газ после турбодетандера направляют до смешения с природным газом после редуктора давления в пассивную часть эжектора и смешивают в магистрали потребителя потоки природного газа после редуктора давления и после эжектора и в качестве потребителя мощности турбодетандера используют насос, рабочую жидкость которого направляют в два параллельных контура: замкнутый гидравлический контур, сопряженный с теплофикационной системой, и открытый гидравлический контур для питания гидротурбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1