RU2549004C1

RU2549004C1 - Regenerative gas-turbine expansion unit

Info

Publication number: RU2549004C1
Application number: RU2013157476/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Субботин; Владимир Александрович Грабовец; Владимир Львович Фиников; Константин Юрьевич Шабанов; Леонид Павлович Шелудько; Владимир Васильевич Бирюк
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара"
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-04-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: regenerative gas-turbine expansion unit of a compressor station of main gas lines with gas-turbine gas pumping units provided with recovery heat carrier heaters includes the main high pressure gas line, a high pressure gas heater, a turbo-expander with an adjustable nozzle assembly, a compressor, a combustion chamber, a gas turbine, an electric generator, a fuel gas heater, a control, a high pressure fuel gas line, a high pressure fuel gas separator, an intermediate pressure fuel gas heater, a regenerative air heater, with that, the intermediate pressure fuel gas heater and the high pressure fuel gas line are used for heating of fuel gas of all combustion chambers of gas turbine units of a compressor station, with that, the turbo-expander rotor is connected via a common shaft to the compressor rotor; the gas turbine rotor is connected to the electric generator rotor, and recovery heat carrier heaters are connected via pipelines to the high pressure fuel gas heater and to the intermediate pressure fuel gas heater.

EFFECT: invention allows increasing compressor station economy.

2 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам и может быть использовано при создании экономичных газотурбодетандерных энергетических установок на компрессорных станциях магистральных газопроводов с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами, обеспечивающих электроснабжение собственных нужд компрессорных станций и внешних потребителей.The invention relates to gas turbine units and can be used to create economical gas turbine expander power plants at compressor stations of main gas pipelines with gas turbine gas pumping units that provide power to the auxiliary needs of compressor stations and external consumers.

Известна газотурбодетандерная энергетическая установка, применяемая для электроснабжения собственных нужд газораспределительных станций (ГРС) и газорегуляторных пунктов. Она состоит из газопровода высокого давления, теплообменника, подогрева газа высокого давления, турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом, газотурбинного авиационного двигателя с воздушным компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, понижающего редуктора, электрогенератора, системы управления. Газопровод природного газа высокого давления через теплообменник подогрева газа высокого давления связан с входом турбодетандера, снабженного регулируемым сопловым аппаратом (РСА), его выход через газопровод топливного газа соединен с камерой сгорания. Вал авиационного двигателя связан общим валом с валом турбодетандера и через понижающий редуктор с валом электрогенератора. Газовая турбина авиадвигателя через теплообменник подогрева газа высокого давления связана с атмосферой. Природный газ высокого давления подогревают в теплообменнике подогрева газа высокого давления за счет теплоты выхлопных газов авиадвигателя и подают на вход турбодетандера. Суммарная полезная работа авиационного газотурбинного двигателя и турбодетандера используется для выработки электроэнергии. (Патент РФ №2091592, F01K 27/00, приоритет 27.09.1994. "Способ работы газотурбодетандерной установки".) Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является газотурбодетандерная установка, применяемая на ГРС и ГРП, содержащая редукционное устройство, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), авиационный газотурбинный двигатель с газогенератором и силовой газовой турбиной, теплообменник-утилизатор, теплообменник-регенератор предварительного подогрева газа, электрогенератор. Магистральный газопровод высокого давления соединен через поверхности нагрева теплообменника-регенератора и теплообменника-утилизатора с входом турбодетандера, а также через редукционное устройство с выходной газовой магистралью. Теплообменник-утилизатор установлен в выхлопном газоходе газовой турбины. Выход турбодетандера связан через теплообменник-регенератор с выходной газовой магистралью, а также непосредственно с камерой сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Силовая газовая турбина газотурбодетандерной установки и турбодетандер связаны общим валом с электрогенератором. При изменении давления газа в магистральном газопроводе высокого давления с помощью РСА поддерживают постоянное давление газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя. (Патент РФ №2096640, F02C6/18, приоритет 30.11.1994. "Способ работы газотурбодетандерной установки".) Данное техническое решение принято за прототип предлагаемого изобретения.Known gas turbine expander power plant used to power their own needs of gas distribution stations (GDS) and gas control points. It consists of a high-pressure gas pipeline, a heat exchanger, high-pressure gas heating, a turboexpander with an adjustable nozzle apparatus, a gas turbine aircraft engine with an air compressor, a combustion chamber, a gas turbine, a reduction gear, an electric generator, and a control system. A high pressure natural gas pipeline through a heat exchanger for heating a high pressure gas is connected to the inlet of a turboexpander equipped with an adjustable nozzle apparatus (PCA); its outlet through a fuel gas pipeline is connected to a combustion chamber. The shaft of the aircraft engine is connected by a common shaft with the shaft of the turboexpander and through a reduction gearbox with the shaft of the generator. The gas turbine of an aircraft engine is connected to the atmosphere through a heat exchanger for heating high-pressure gas. High-pressure natural gas is heated in a heat exchanger for heating high-pressure gas due to the heat of the exhaust gases of the aircraft engine and fed to the inlet of the turbine expander. The total useful work of the aircraft gas turbine engine and turboexpander is used to generate electricity. (RF patent No. 2091592, F01K 27/00, priority 09/27/1994. "Method of operation of a gas turbine expander".) The closest in technical essence to the invention is a gas turbine expander used on gas distribution and hydraulic fracturing, containing a reduction device, a turboexpander with an adjustable nozzle apparatus (RSA), an aircraft gas turbine engine with a gas generator and a power gas turbine, a heat exchanger-utilizer, a heat exchanger-regenerator of gas preheating, an electric generator. The main gas pipeline of high pressure is connected through the heating surfaces of the heat exchanger-regenerator and heat exchanger-utilizer to the inlet of the turbine expander, as well as through a reduction device with an outlet gas line. The heat exchanger-utilizer is installed in the exhaust gas duct of a gas turbine. The output of the turboexpander is connected through a heat exchanger-regenerator to the gas outlet line, as well as directly to the combustion chamber of the aircraft gas turbine engine. A power gas turbine of a gas turbine expander and a turboexpander are connected by a common shaft to an electric generator. When changing the gas pressure in the high-pressure main gas pipeline using SAR, a constant gas pressure is maintained in the gas outlet line and in the combustion chamber of the aircraft engine. (RF patent No. 2096640, F02C6 / 18, priority 30.11.1994. "The method of operation of a gas turbine expander".) This technical solution is taken as a prototype of the invention.

В то же время прототип имеет недостатки:At the same time, the prototype has disadvantages:

- он предназначен для установки на ГРС и ГРП с давлением газа в выходной газовой магистрали 0,6-1,2 МПа и не может быть применен на компрессорных станциях магистральных газопроводов с газотурбинным приводом газоперекачивающих агрегатов (ГПА), так как давление топливного газа в их камерах сгорания составляет 2,5-3 МПа;- it is intended for installation on gas distribution stations and hydraulic fracturing with a gas pressure in the gas outlet of 0.6-1.2 MPa and cannot be used at compressor stations of gas pipelines with a gas-turbine drive of gas pumping units (GPU), since the pressure of the fuel gas in them combustion chambers is 2.5-3 MPa;

- прототип имеет недостаточно высокую тепловую экономичность.- the prototype has a low thermal efficiency.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэкономичной регенеративной газотурбодетандерной установки для обеспечения энергоснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов и для повышения экономичности ее газоперекачивающих агрегатов. Расширенный в турбодетандере природный газ используется как топливный газ для газотурбодетандерной установки и для газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции.The objective of the invention is the creation of a highly economical regenerative gas turbine expander to provide power to the auxiliary needs of compressor stations of gas pipelines and to increase the efficiency of its gas pumping units. Natural gas expanded in a turboexpander is used as fuel gas for a gas turbine expander and for gas compressor units of a compressor station.

Поставленная задача решается за счет того, что регенеративная газотурбодетандерная установка компрессорной станции магистральных газопроводов с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами, снабженными утилизационными подогревателями теплоносителя, содержащая магистральный газопровод высокого давления, подогреватель газа высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, подогреватель топливного газа, регулятор, при этом магистральный газопровод высокого давления через подогреватель газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через газопровод топливного газа связан с камерой сгорания газотурбодетандерной установки, регулятор соединен импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом турбодетандера и с камерой сгорания газотурбодетандерной установки, причем она дополнительно снабжена газопроводом топливного газа высокого давления, сепаратором топливного газа высокого давления, подогревателем топливного газа среднего давления, регенеративным воздухоподогревателем, причем сепаратор топливного газа высокого давления, подогреватель топливного газа высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, подогреватель топливного газа среднего давления и газопровод топливного газа высокого давления используют для подогрева топливного газа всех камер сгорания газотурбинных агрегатов компрессорной станции, при этом ротор турбодетандера соединен общим валом с ротором компрессора, ротор газовой турбины связан с ротором электрогенератора, а утилизационные подогреватели теплоносителя связаны трубопроводами с подогревателем топливного газа высокого давления и с подогревателем топливного газа среднего давления.The problem is solved due to the fact that the regenerative gas turbine expander installation of the compressor station of the main gas pipelines with gas turbine gas pumping units equipped with heat recovery heaters, comprising a high pressure main gas pipeline, a high pressure gas heater, a turbine expander with an adjustable nozzle apparatus, a compressor, a combustion chamber, a combustion chamber electric generator, fuel gas heater, regulator, while the main gas pipeline the high pressure through the high pressure gas heater is connected to the inlet of the turbo-expander, the output of which through the fuel gas pipeline is connected to the combustion chamber of the gas-turbine expander, the regulator is connected by impulse lines to the adjustable nozzle apparatus of the turbo-expander and to the combustion chamber of the gas-turbine expander, and it is additionally equipped with a high-pressure fuel gas pipeline , high pressure fuel gas separator, medium pressure fuel gas heater, regenerative an air heater, the high-pressure fuel gas separator, the high-pressure fuel gas heater, the turbo-expander with an adjustable nozzle apparatus, the medium-pressure fuel gas heater and the high-pressure fuel gas pipeline are used to heat the fuel gas of all the combustion chambers of the gas turbine units of the compressor station, while the turbine of the expander connected by a common shaft to the compressor rotor, the gas turbine rotor is connected to the rotor of the electric generator, and utilization heat transfer agents are connected by pipelines to a high pressure fuel gas heater and a medium pressure fuel gas heater.

Сравнение предлагаемой регенеративной газотурбодетандерной установки с прототипом и другими техническими решениями позволило сделать вывод, что предлагаемые в ней технические решения соответствуют критерию "новизна". С учетом признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, можно сделать вывод, что оно соответствует критерию "существенные отличия".Comparison of the proposed regenerative gas turbine expander with a prototype and other technical solutions allowed us to conclude that the technical solutions proposed in it meet the criterion of "novelty." Given the features that distinguish the claimed invention from the prototype, we can conclude that it meets the criterion of "significant differences".

На Фиг.1 приведена блок-схема регенеративной газотурбодетандерной установки, на Фиг.2 приведена тепловая схема регенеративной газотурбодетандерной установки.Figure 1 shows a block diagram of a regenerative gas turbine expander, Figure 2 shows a thermal diagram of a regenerative gas turbine expander.

Блок схема содержит два блока - блок регенеративной газотурбодетандерной установки 1 и блок газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции 2. Тепловая схема содержит: магистральный газопровод высокого давления 3, газопровод топливного газа высокого давления 4, сепаратор топливного газа высокого давления 5, подогреватель топливного газа высокого давления 6, турбодетандер 7 с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор 8, выхлопной газоход 9, газовую турбину 10, электрогенератор 11, регулятор 12, общий вал 13, газопровод среднего давления 14, регенеративный воздухоподогреватель 15, камеру сгорания 16 газотурбодетандерной установки, трубопровод подогретого теплоносителя 17, трубопровод охлажденного теплоносителя 18, подогреватель топливного газа среднего давления 19, газопроводы топливного газа среднего давления 20, утилизационные подогреватели теплоносителя 21, камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов 22.The block diagram contains two blocks - a block of a regenerative gas turbine expander unit 1 and a block of gas pumping units of a compressor station 2. The thermal diagram contains: a high pressure main gas pipeline 3, a high pressure fuel gas pipeline 4, a high pressure fuel gas separator 5, a high pressure fuel gas heater 6, a turboexpander 7 with an adjustable nozzle apparatus, a compressor 8, an exhaust gas duct 9, a gas turbine 10, an electric generator 11, a regulator 12, a common shaft 13, a medium pressure gas pipeline 14, egenerativny air heater 15, a combustor 16 gazoturbodetandernoy installation preheated coolant conduit 17, the chilled coolant piping 18, the fuel gas heater 19, the medium-pressure, gas-pressure fuel gas medium 20, recycling coolant heaters 21, combustion chambers 22 gas compressor units.

Магистральный газопровод высокого давления 3 соединен газопроводом топливного газа высокого давления 4 через сепаратор высокого давления топливного газа 5 и подогреватель топливного газа высокого давления 6 с входом турбодетандера 7, выход которого связан газопроводом среднего давления 14 через подогреватель топливного газа среднего давления 19, газопроводы топливного газа среднего давления 20 с камерой сгорания 16 регенеративной газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания 22 газоперекачивающих агрегатов. Регулятор 12 соединен импульсными линиями с РСА турбодетандера 7 и с газопроводами топливного газа среднего давления 20. Газопроводы топливного газа среднего давления 20 соединены с камерой сгорания 16 регенеративной газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания 22 газоперекачивающих агрегатов. Утилизационные подогреватели теплоносителя 21 связаны трубопроводом подогретого теплоносителя 17 и трубопроводом охлажденного теплоносителя 18 с подогревателем топливного газа среднего давления 19 и с подогревателем топливного газа высокого давления 6. Ротор турбодетандера 7 соединен общим валом 13 с ротором компрессора 8, выход которого связан через воздуховод, регенеративный воздухоподогреватель 15, камеру сгорания 16 регенеративной газотурбодетандерной установки, с входом газовой турбины 10, ротор которой соединен валом с ротором электрогенератора 11. Выход газовой турбины 10 через выхлопной газоход 9 и регенеративный воздухоподогреватель 15 связан с атмосферой.The main high-pressure gas pipeline 3 is connected by the high-pressure fuel gas pipeline 4 through the high-pressure fuel gas separator 5 and the high-pressure fuel gas heater 6 with the inlet of the expander 7, the output of which is connected by the medium-pressure gas pipeline 14 through the medium-pressure fuel gas heater 19, the medium-sized gas fuel gas pipelines pressure 20 with a combustion chamber 16 of a regenerative gas turbine expander and with combustion chambers 22 of gas pumping units. The controller 12 is connected by impulse lines to the PCA of the turboexpander 7 and to the medium pressure fuel gas pipelines 20. The medium pressure fuel gas pipelines 20 are connected to the combustion chamber 16 of the regenerative gas turbine expander and to the combustion chambers 22 of the gas pumping units. Utilization heat carrier heaters 21 are connected by a heated coolant pipe 17 and a cooled coolant pipe 18 with a medium pressure fuel gas heater 19 and a high pressure fuel gas heater 6. The turbine of the expander 7 is connected by a common shaft 13 to the compressor rotor 8, the output of which is connected through an air duct, a regenerative air heater 15, a combustion chamber 16 of a regenerative gas turbine expander installation, with an inlet of a gas turbine 10, the rotor of which is connected by a shaft to an electric rotor generator 11. The output of the gas turbine 10 through the exhaust gas duct 9 and the regenerative air heater 15 is connected to the atmosphere.

Регенеративная газотурбодетандерная установка работает следующим образом.Regenerative gas turbine expander works as follows.

Природный газ из магистрального газопровода высокого давления 3 по газопроводу топливного газа высокого давления 4 поступает в сепаратор топливного газа высокого давления 5, где производится его очистка от примесей, затем через подогреватель топливного газа высокого давления 6 его подают в турбодетандер 7, снабженный РСА, расширяется со снижением давления и далее по газопроводу среднего давления 14 его подают через подогреватель топливного газа среднего давления 19 в газопроводы топливного газа среднего давления 20. После подогревателя топливного газа среднего давления 19 газ направляют в камеру сгорания 16 регенеративной газотурбодетандерной установки и в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов 22. Подогрев газа в подогревателе топливного газа высокого давления 6 и в подогревателе топливного газа среднего давления 19 производят теплоносителем, который подводят в них по трубопроводу 17 подогретого теплоносителя и отводят по трубопроводу 18 охлажденного теплоносителя. При этом подогрев теплоносителя производят в утилизационных подогревателях теплоносителя 21 за счет теплоты уходящих газов газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции.Natural gas from the high-pressure gas main 3 through the high-pressure fuel gas pipeline 4 enters the high-pressure fuel gas separator 5, where it is cleaned of impurities, then it is fed through a high-pressure fuel gas heater 6 to a turbine expander 7 equipped with a PCA, expanded by reducing the pressure and then through the medium-pressure gas pipeline 14 it is fed through the medium-pressure fuel gas heater 19 to the medium-pressure fuel gas pipelines 20. After the heater, then medium pressure gas 19, the gas is sent to the combustion chamber 16 of the regenerative gas turbine expansion unit and to the combustion chambers of the gas pumping units 22. The gas is heated in the high pressure fuel gas heater 6 and in the medium pressure fuel gas heater 19, which is supplied with the coolant, which is supplied to them through the heated pipe 17 coolant and divert through the pipe 18 of the cooled coolant. In this case, heating of the coolant is carried out in utilization heaters of the coolant 21 due to the heat of the flue gases of the gas pumping units of the compressor station.

Полезную работу турбодетандера 7 передают по общему валу 13 компрессору 8 и используют ее для сжатия атмосферного воздуха. Сжатый в нем атмосферный воздух направляют через регенеративный воздухоподогреватель 15 в камеру сгорания 16 газотурбодетандерной установки, куда также подают газ по газопроводу топливного газа среднего давления 20. Продукты сгорания газа расширяют в газовой турбине 10 и через выхлопной газоход 9 и регенеративный воздухоподогреватель 15 сбрасывают в атмосферу. Полезную работу газовой турбины 10 используют для привода электрогенератора 11 и выработки электроэнергии. В регенеративном воздухоподогревателе 15 подогревают воздух, сжатый в компрессоре 8 за счет теплоты выхлопных газов газовой турбины 10.The useful work of the turboexpander 7 is transmitted along a common shaft 13 to the compressor 8 and is used to compress atmospheric air. The compressed air in it is sent through a regenerative air heater 15 to the combustion chamber 16 of the gas turbine expander installation, where gas is also supplied via the medium pressure fuel gas pipeline 20. The gas combustion products are expanded in the gas turbine 10 and discharged into the atmosphere through the exhaust gas duct 9 and regenerative air heater 15. The useful work of a gas turbine 10 is used to drive an electric generator 11 and generate electricity. In the regenerative air heater 15, air is compressed in the compressor 8 due to the heat of the exhaust gases of the gas turbine 10.

При изменении давления в магистральном газопроводе 3 и соответственно в газопроводе топливного газа высокого давления 4 регулятором 12 за счет воздействия на сопловой регулирующий аппарат турбодетандера 7 поддерживают постоянное давление в газопроводе топливного газа среднего давления 20, в камере сгорания 16 регенеративной газотурбодетандерной установки и в камерах сгорания 22 газоперекачивающих агрегатов.When the pressure in the main gas pipeline 3 and, accordingly, in the high-pressure fuel gas pipeline 4 is adjusted by the regulator 12, due to the impact on the nozzle control apparatus of the turboexpander 7, constant pressure is maintained in the medium-pressure fuel gas pipeline 20, in the combustion chamber 16 of the regenerative gas-turbine expander, and in the combustion chambers 22 gas pumping units.

Применение регенеративного воздухоподогревателя позволяет повысить экономичность регенеративной газотурбодетандерной установки.The use of a regenerative air heater makes it possible to increase the efficiency of a regenerative gas turbine expander.

Соединение общим валом высокооборотного турбодетандера с компрессором позволяет уменьшить число ступеней в компрессоре и снизить его стоимость.The connection of the high-speed turbo-expander to the compressor by the common shaft allows reducing the number of stages in the compressor and lowering its cost.

Привод электрогенератора от вала газовой турбины при 3000 об/мин позволяет отказаться от использования понижающего редуктора и повысить надежность установки.The electric generator drive from the gas turbine shaft at 3000 rpm allows you to refuse to use a reduction gear and increase the reliability of the installation.

Применение в газоперекачивающих агрегатах утилизационных подогревателей теплоносителя позволяет понизить температуру уходящих газов и повысить их тепловую экономичность.The use of recycling heat carrier in gas-pumping units allows lowering the temperature of the flue gases and increasing their thermal efficiency.

Использование теплоносителя для подогрева газа высокого давления и топливного газа позволяет увеличить мощность турбодетандера, мощность и расход воздуха через компрессор, за счет чего повысится мощность и электрический КПД газотурбодетандерной установки.The use of a coolant for heating high-pressure gas and fuel gas allows to increase the power of the turboexpander, power and air flow through the compressor, thereby increasing the power and electrical efficiency of the gas turbine expander.

Claims

Regenerative gas turbine expander installation of a compressor station for main gas pipelines with gas turbine gas pumping units equipped with waste heat carrier heaters, comprising a high pressure main gas pipeline, a high pressure gas heater, a turboexpander with an adjustable nozzle apparatus, a compressor, a combustion chamber, a gas turbine, an electric generator, a gas generator, an electric generator, a gas generator wherein the main gas pipeline of high pressure through the gas heater in high pressure is connected to the inlet of the turbo-expander, the output of which through the gas pipeline of fuel gas is connected to the combustion chamber of the gas turbine expander, the regulator is connected by impulse lines to the adjustable nozzle apparatus of the turbo-expander and to the combustion chamber of the gas-turbine expander, characterized in that it is additionally equipped with a high-pressure fuel gas pipeline, a separator high pressure fuel gas, medium pressure fuel gas heater, regenerative air heater, m high-pressure fuel gas separator, high-pressure fuel gas heater, turbo expander with an adjustable nozzle apparatus, medium-pressure fuel gas heater and high-pressure fuel gas pipeline are used to heat the fuel gas of all the combustion chambers of the gas turbine units of the compressor station, while the turbine expander rotor is connected by a common shaft with the compressor rotor, the gas turbine rotor is connected to the electric generator rotor, and the heat carrier utilization heaters are connected pipelines with high pressure fuel gas heater and medium pressure fuel gas heater.