Способ работы турбодетандерной установки
Природный газ высокого давления поступает из магистрали 1 в турбодетандер 2 и расширяется в нем со снижением температуры. На выходе из турбодетандера 2 природный газ нагревается в теплообменнике 11 за счет тепла хладоносителя от потребителя холода 12, а также в теплообменнике 14 за счет тепла закомпрессорного воздуха, поступающего от воздушного компрессора 4. При работе лопаточной машины 4, соединенной механически с турбодетандером 2, в качестве насоса дополнительный нагрев природного газа осуществляется в расходной емкости 9. Использование изобретения позволит повысить надежность способа работы турбодетандерной установки. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к турбодетандерным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии, холода и тепла без сжигания топлива при высоких экологических показателях, особенно при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).
Известен способ получения электроэнергии при снижении давления природного газа на ГРС в турбодетандере, подключенного механически к электрогенератору. Этот способ принят за аналог и представлен в рекламном проспекте "Внешторгиздат. Изд. N 01М31/5, 1989". Техническое решение по аналогу 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 неподвижное устройство и через вращающийся турбодетандер, в котором снижают избыточное давление природного газа, и смешивают потоки природного газа после неподвижного устройства и вращающегося 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 аналогу 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 К. 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 К. Такая температура природного газа является недопустимой с точки зрения надежности работы ГРС по поставке газа потребителю. Известен способ повышения надежности работы турбодетандера на ГРС, представленный в патенте РФ N 2036394 "Способ получения холода" с приоритетом от 23 ноября 1992 года, F 25 B 11/00, опубл. 27.05.95, Бюл. N 15. Этот способ принят за прототип и основан на сжатии воздуха в компрессоре, расширении и снятии тепловой нагрузки потребителем холода, причем сжатие воздуха осуществляется за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбодетандере, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направляемым на редуцирование. Таким образом, в соответствии с техническим решением, принятым за прототип, пропускают природный газ повышенного давления через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева пропускаемого через турбодетандер природного газа. В прототипе устраняется недостаток технического решения по аналогу: температура природного газа, поступающего к потребителю, является по значению выше 273 К. Однако недостатком способа по прототипу является пониженная надежность работы турбодетандера, обусловленная теплообменном между газом и воздухом при высоком уровне давления природного газа. В результате имеется высокая вероятность разрушения рабочих элементов теплообменника в процессе работы турбодетандера. Изобретение решает задачу повышения надежности способа работы турбодетандерной установки. Поставленная задача решается тем, что нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость. 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 чертеже. Она включает магистраль 1 природного газа высокого давления, турбодетандер 2, вал 3, лопаточную машину 4 по повышению давления рабочей среды, магистраль 5 подвода атмосферного воздуха, магистраль 6 отвода воздуха повышенного давления, магистраль 7 подвода жидкости, магистраль 8 отвода жидкости повышенного давления, расходную емкость 9, магистраль 10 после турбодетандера 2, теплообменник 11, потребитель 12 холода, контур 13 хладоносителя, теплообменник 14, запорные органы 15-20, магистраль 21 природного газа, направляемого к потребителю. Работа установки, схематично представленной на черетеже, осуществляется следующим образом применительно к двум вариантам реализации предлагаемого способа: первый вариант - работа лопаточной машины 4 в качестве воздушного компрессора, второй вариант - работа лопаточной машины 4 в качестве насоса. Оба варианта могут реализоваться как в одном агрегате (турбодетандер 2 - вал 3 - лопаточная машина 4), так и в разных агрегатах. Последнее предусматривает замену агрегатов при переходе от рабочего тела в виде воздуха к рабочему телу в виде жидкости. Очевидно, что более оптимальным с позиций надежности и эффективности реализации способа работы турбодетандерной установки является второй вариант, однако, он сопряжен с дополнительными трудностями по замене агрегатов при переходе с воздуха на жидкость. Для упрощения иллюстративного описания схемы по чертежу представим первый вариант работы установки. В рамках приведенных допущений природный газ высокого давления, поступающий из магистрали 1, направляют в турбодетандер 2, приводя его во вращение с одновременным снижением давления природного газа. Вращение турбодетандера 2 и его мощность посредством вала 3 передается лопаточной машине 4, которая при закрытых органах 16, 17 и 19 и при открытых органах 15, 18 и 20 работает как воздушный компрессор. В этом случае воздух из атмосферы засасывается по магистрали 5 в лопаточную машину 4, в которой повышается давление и температура воздуха. После лопаточной машины 4 воздух направляется по магистрали 6 в теплообменник 14, в котором отдает часть тепла природному газу, поступающему к потребителю по магистрали 21, и тем самым повышает его температуру. После теплообменника 14 охлажденный воздух повышенного давления направляют к потребителю, в качестве которого может быть использована воздушная турбина с электрогенератором или иным потребителем мощности. При этом помимо электроэнергии можно получать и воздух пониженной температуры после его прохождения через турбину. Природный газ поступает в теплообменник 14 после теплообменника 11, в котором он предварительно нагревается за счет передачи тепла от потребителя холода 12 с помощью хладоносителя 13. В теплообменник 11 охлажденный природный газ поступает после турбодетандера 2 по магистрали 10. При закрытых органах 15, 18, 20 и открытых органах 16, 17, 19 установка (см. чертеж) работает по второму варианту, когда лопаточная машина 4 функционирует в качестве насоса. В таком варианте способа работы турбодетандерной установки лопаточная машина 4 всасывает по магистрали 7 жидкость из расходной емкости 9 и направляет ее по магистрали 8 снова в расходную емкость 9. Иными словами, циркулирование жидкости по замкнутому контуру позволяет преобразовать энергию давления жидкости в тепловую энергию, что дает возможность нагревать природный газ, поступающий после теплообменника 11 через орган 16 в расходную емкость 9 и в магистраль 21 к потребителю газа с требуемой температурой. Снижение давления природного газа в турбодетандере 2 приводит к снижению температуры газа в магистрали 10. Использование теплообменника 11 позволяет предварительно (до теплообменника 14) нагреть природный газ путем снижения температуры хладоносителя 13 и тем самым передать холод потребителю 12. В теплообменнике 14 или в расходной емкости 9 природный газ окончательно нагревается до температуры, необходимой для надежной работы как магистрали 21, так и самого потребителя. Известно, что температура природного газа в магистрали 21 должна находиться в диапазоне от 278 до 313 К. Дополнительная по сравнению с прототипом надежность способа работы турбодетандерной установки достигается за счет нагрева природного газа после турбодетандера 2 при меньшем его давлении. Кроме того, возможность перехода в функционировании лопаточной машины 4 от компрессора к насосу повышает эффективность способа работы турбодетандерной установки (см. чертеж) в целом за счет возможности эффективно парировать изменение по времени расхода природного газа через ГРП. Так, например, при снижении расхода природного газа ниже 0,3 кг/с работа воздушного компрессора становится столь неэффективной, что становится нецелесообразным его использование. Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета работы установки, схематично представленной на чертеже , при следующих исходных данных, характерных для ГРП НИЦ ЦИАМ (Московская обл., Тураево): 1. Давление природного газа в магистрали 1, МПа - 0,6 2. Давление природного газа в магистрали 21, МПа - 0,25 3. Температура природного газа в магистрали 1, K - 276 4. Расход природного газа через магистраль 1, кг/с - 0,22 - 0,7 5. КПД турбодетандера 2 - 0,5 6. КПД лопаточной машины 4 - 0,7 7. Частота вращения компрессора 4, об/мин - 60000 8. Частота вращения насоса 4, об/мин - 6000 9. Средняя температура природного газа в магистрали 10, K - 241Расчеты показывают, что при заданных исходных данных достигаемая мощность турбодетандера 2 составляет величины 25 - 40 кВт при поддержании температуры и давления в магистрали 21 соответственно на уровне 278-313 K и 0,25 МПа. Это позволяет обеспечить при давлении воздуха за лопаточной машиной 4 на уровне 0,3 МПа и его расхода 0,3 кг/с хладопроизводительность до 25 кВт при расходе природного газа через турбодетандер 2, равном 0,7 кг/с. При работе лопаточной машины 4 в качестве водяного насоса при расходе природного газа через турбодетандер 2, равном 0,22 кг/с, указанная хладопроизводительность может достигать 12-16 кВт. Предложенный способ работы турбодетандерной установки планируется внедрить на ГРП НИЦ ЦИАМ в 1997 году.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1