RU199019U1

RU199019U1 - Gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft

Info

Publication number: RU199019U1
Application number: RU2019143902U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Стребков; Александр Вадимович Осипов; Станислав Викторович Жавроцкий; Илья Сергеевич Каштанов
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-08-07

Abstract

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки. Изобретение может быть использовано на газораспределительных станциях с энергетической установкой. Сущность полезной модели: газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной установкой с разрезным валом содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, первую 4 и вторую 5 ступень турбодетандера, кинематически связанного с компрессором низкого давления 6, охладитель воздуха 7, подогреватель газа 8, компрессор высокого давления 9, регенеративный подогреватель сжатого воздуха 10, камеру сгорания высокого давления 11, газовую турбину высокого давления 12, камеру сгорания низкого давления 13, силовую газовую турбину низкого давления 14, электрогенератор 15, а также соответствующие коммуникационные трубопроводы природного газа, воздуха и продуктов сгорания. 1 ил.The utility model relates to expander-generator and gas turbine power plants and relates to expander plants for the production of compressed air using the energy of overpressure of natural gas transported through gas pipelines, followed by the use of compressed air in the combustion chamber of the gas turbine power plant. The invention can be used at gas distribution stations with a power plant. The essence of the utility model: a gas distribution station with an expander-compressor gas turbine unit with a split shaft contains a main gas pipeline 1 with a reducing device 2, a gas pipeline of reduced gas pressure 3, the first 4 and second 5 stages of the turboexpander, kinematically connected with a low pressure compressor 6, an air cooler 7, gas preheater 8, high pressure compressor 9, regenerative compressed air preheater 10, high pressure combustion chamber 11, high pressure gas turbine 12, low pressure combustion chamber 13, low pressure power gas turbine 14, electric generator 15, as well as corresponding natural gas communication pipelines , air and combustion products. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки. Полезная модель может быть использована на газораспределительных станциях с энергетической установкой.The utility model relates to expander-generator and gas turbine power plants and concerns expander plants for the production of compressed air using the energy of the overpressure of natural gas transported through gas pipelines, with the subsequent use of compressed air in the combustion chamber of the gas turbine power plant. The utility model can be used at gas distribution stations with a power plant.

Сущность полезной модели: газораспределительная станция содержит магистральный газопровод, байпасную линию с запорной и регулирующей арматурой, газопровод сниженного давления газа. Параллельно байпасной линии установка содержит компрессор низкого давления и двухступенчатый турбодетандер, установленные на первом отдельном валу, компрессор высокого давления и газовую турбину высокого давления, установленные на втором отдельном валу, камеры сгорания высокого и низкого давления, силовую газовую турбину низкого давления и электрический генератор, установленные на третьем отдельном валу, два теплообменника для подогрева природного газа перед первой и второй ступенью турбодетандера, а также регенеративный подогреватель сжатого воздуха. Основные элементы установки соединены между собой соответствующими трубопроводами природного газа, воздуха и продуктов сгорания.The essence of the utility model: the gas distribution station contains a main gas pipeline, a bypass line with shut-off and control valves, a gas pipeline of reduced gas pressure. Parallel to the bypass line, the unit contains a low pressure compressor and a two-stage turbo expander mounted on a first separate shaft, a high pressure compressor and a high pressure gas turbine mounted on a second separate shaft, high and low pressure combustion chambers, a low pressure power gas turbine and an electric generator installed on the third separate shaft, two heat exchangers for heating natural gas before the first and second stages of the turboexpander, as well as a regenerative compressed air heater. The main elements of the plant are interconnected by appropriate pipelines for natural gas, air and combustion products.

Установка предназначена для повышения энергетической эффективности производства электрической энергии и увеличения мощности установки посредством использования энергии избыточного давления природного газа, ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением, и применения схемы разрезного вала для газотурбинной части установки с промежуточным подогревом рабочего тела. The installation is designed to increase the energy efficiency of electric energy production and increase the capacity of the installation by using the energy of the overpressure of natural gas, staged compression of air with its intermediate cooling, and using a split shaft scheme for the gas turbine part of the installation with intermediate heating of the working fluid.

Известна газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой (патент на полезную модель № 176799, РФ), принятая за прототип, основными элементами которой являются турбодетандер, кинематически связанный с воздушным компрессором, силовая газовая турбина, приводящая электрогенератор, камера сгорания, а также соответствующие трубопроводы природного газа, воздуха и продуктов сгорания. Существенным признаком данной установки является то, что мощность, производимая силовой газовой турбиной практически полностью расходуется на выработку электроэнергии, а затраты энергии на привод воздушного компрессора покрываются за счёт использования энергии избыточного давления природного газа. В результате достигается сравнительно высокая энергетическая эффективность установки. Недостатком представленной выше установки является недоиспользование потенциала увеличения энергетической эффективности и полезной мощности, заключающегося в применении: а) схемы установки с разрезным валом, обеспечивающей ей более высокий КПД при работе на частичных нагрузках по сравнению с одновальной установкой без свободной силовой газовой турбины; б) ступенчатого подвода теплоты к потоку природного газа перед его расширением в турбодетандере; в) ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением; г) промежуточного подогрева продуктов сгорания; д) регенеративного подогрева сжатого воздуха.Known gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant (utility model patent No. 176799, RF), taken as a prototype, the main elements of which are a turbo expander, kinematically connected to an air compressor, a power gas turbine driving an electric generator, a combustion chamber, and the corresponding pipelines for natural gas, air and combustion products. An essential feature of this installation is that the power produced by the power gas turbine is almost completely consumed for generating electricity, and the energy costs for driving the air compressor are covered by using the energy of the overpressure of natural gas. The result is a relatively high energy efficiency of the installation. The disadvantage of the above installation is the underutilization of the potential for increasing energy efficiency and useful power, which consists in using: a) the scheme of the installation with a split shaft, which provides it with a higher efficiency when operating at partial loads compared to a single-shaft installation without a free power gas turbine; b) a stepwise supply of heat to the natural gas stream before its expansion in a turboexpander; c) staged air compression with its intermediate cooling; d) intermediate heating of combustion products; e) regenerative heating of compressed air.

Известна тепловая схема детандер-генераторного агрегата с двухступенчатым промежуточным подогревом газа (патент на полезную модель № 102249, РФ). Принцип действия установки основан на использовании энергии избыточного давления природного газа последовательно в трёх ступенях турбодетандера с применением низкотемпературного источника для подогрева газа. Недостатком данной установки отсутствие возможности производства дополнительной мощности установки за счёт газотурбинной надстройки, а также снижение располагаемой мощности за счёт энергетических затрат на привод компрессоров тепловых насосов.Known thermal diagram of an expander-generator unit with a two-stage intermediate gas heating (patent for a useful model No. 102249, RF). The principle of operation of the installation is based on the use of the energy of overpressure of natural gas in series in three stages of a turboexpander with the use of a low-temperature source for gas heating. The disadvantage of this installation is the lack of the possibility of producing additional capacity of the installation due to the gas turbine superstructure, as well as a decrease in the available capacity due to the energy costs for the drive of the heat pump compressors.

Известен ряд установок, в которых применена многовальная компоновка с разрезным валом для повышения их мощности и экономичности: A number of installations are known in which a multi-shaft arrangement with a split shaft is used to increase their power and efficiency:

- способ работы газотурбинной установки (варианты) и газотурбинная установка (патент на изобретение № 2094636, РФ), предназначенный для повышения КПД и удельной мощности газотурбинной установки посредством использования остаточной теплоты ее выхлопных газов;- a method of operation of a gas turbine unit (options) and a gas turbine unit (patent for invention No. 2094636, RF), designed to increase the efficiency and specific power of a gas turbine unit by using the residual heat of its exhaust gases;

- способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки (патент на изобретение № 2111370, РФ), обеспечивающий повышение надежности, экономичности и безопасности пуска и газоснабжения газотурбинной установки посредством использования жесткой связи ротора паровой турбины и дожимного компрессора топливного газа общим валом, соединенного с валом газотурбинной установки автоматической расцепной муфтой, и следующей после пусковых операций и расцепления валов подачи на паровую турбину дополнительного расхода пара, с помощью чего увеличиваются обороты связанного с ней дожимного компрессора, давление и расход топливного газа в камеру сгорания до уровня, соответствующего требуемой мощности газотурбинной установки;- a method for starting up and supplying gas to a power gas turbine unit (patent for invention No. 2111370, RF), which ensures an increase in the reliability, efficiency and safety of starting up and supplying gas to a gas turbine unit by using a rigid connection between a steam turbine rotor and a fuel gas booster compressor by a common shaft connected to the gas turbine unit shaft an automatic release clutch, and following the start-up operations and uncoupling of the supply shafts to the steam turbine, an additional steam flow rate, thereby increasing the speed of the associated booster compressor, the pressure and fuel gas flow rate into the combustion chamber to a level corresponding to the required power of the gas turbine plant;

- способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки и устройство для его осуществления (патент на изобретение № 2182247, РФ), обеспечивающий повышение экономичности и надежности энергетической газотурбинной установки, а также ее габаритов и стоимости посредством включения дополнительной приводной газовой турбины между дожимным компрессором и турбокомпрессором, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и с дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора и включенной между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем. После достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины автоматически разъединяются, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют до высоких рабочих оборотов, обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки, увеличивая расход и давление топливного газа в ее камеру сгорания;- a method for starting up and supplying gas to a power gas turbine plant and a device for its implementation (patent for invention No. 2182247, RF), which provides an increase in the efficiency and reliability of a power gas turbine plant, as well as its dimensions and cost by including an additional drive gas turbine between the booster compressor and the turbocharger, the rotor of which is rigidly connected to the booster compressor rotor and with an additional release clutch connected to the turbocharger rotor and connected between the booster compressor and the external starting motor. After reaching the design speed of the turbocharger rotor, the rigidly connected rotors of the booster compressor and the drive gas turbine are automatically disconnected, and the output of the rotors of the turbocharger and power turbine is carried out to high operating speeds, which provide the fuel gas pressure behind the booster compressor corresponding to the required power level of the gas turbine plant, increasing the flow rate and pressure fuel gas into its combustion chamber;

Общим недостатком всех представленных выше схем являются сравнительно большие энергетические затраты установок на собственные нужды – газотурбинный привод воздушного компрессора.A common disadvantage of all the schemes presented above is the relatively high energy consumption of installations for their own needs - a gas turbine drive of an air compressor.

Цель данной полезной модели состоит в повышении эффективности производства электрической энергии и увеличении мощности энергетической установки, созданной на основе синтеза турбодетандерных и газотурбинных технологий, за счёт использования энергии избыточного давления природного газа в двухступенчатом турбодетандере, промежуточного охлаждения сжатого воздуха и промежуточного подогрева продуктов сгорания.The purpose of this utility model is to increase the efficiency of electric energy production and increase the capacity of a power plant created on the basis of the synthesis of turboexpander and gas turbine technologies, by using the energy of overpressure of natural gas in a two-stage turboexpander, intermediate cooling of compressed air and intermediate heating of combustion products.

Достижение этой цели состоит в том, что в предлагаемой энергетической установке, содержащей магистральный газопровод с ответвлениями, содержащими редуцирующие устройства и запорную арматуру, газопровод сниженного давления газа, установленный по ходу природного газа охладитель сжатого воздуха, двухступенчатый турбодетандер, подогреватель природного газа, компрессоры низкого и высокого давления, регенеративный подогреватель сжатого воздуха, камеры сгорания высокого и низкого давления, газовую турбину высокого давления, силовую газовую турбину низкого давления и электрогенератор, соединённые соответствующими трубопроводами природного газа, воздуха и продуктов сгорания, механическая нагрузка вращения компрессора низкого давления обеспечивается работой расширения потока природного газа в турбодетандере, а силовая газовая турбина низкого давления вращает только электрогенератор. Эффективность процесса сжатия воздуха повышается за счёт применения промежуточного охлаждения. Одновременно достигается предварительный подогрев потока природного газа перед его расширением в первой ступени турбодетандера. Применение ступенчатой схемы подогрева природного газа позволяет избежать чрезмерного нагрева горючего газа до высокой температуры. Использование схемы установки с разрезным валом обеспечивает ей более высокий КПД при работе на частичных нагрузках по сравнению с одновальной установкой без свободной силовой газовой турбины. Промежуточный подогрев продуктов сгорания в камере сгорания низкого давления позволяет увеличить мощность установки, а использование регенеративного подогрева сжатого воздуха – повысить эффективный КПД установки и снизить удельный расход топлива на производство единицы полезной энергии.The achievement of this goal consists in the fact that in the proposed power plant containing a main gas pipeline with branches containing reducing devices and shut-off valves, a gas pipeline of reduced gas pressure, a compressed air cooler installed along the natural gas flow, a two-stage turbo expander, a natural gas heater, low and high pressure, regenerative compressed air heater, high and low pressure combustion chambers, high pressure gas turbine, low pressure power gas turbine and an electric generator connected by appropriate pipelines of natural gas, air and combustion products, the mechanical load of the rotation of the low pressure compressor is provided by the work of expanding the natural flow gas in a turboexpander, and a low-pressure power gas turbine rotates only an electric generator. The efficiency of the air compression process is increased by the use of intercooling. At the same time, the preheating of the natural gas stream is achieved before it is expanded in the first stage of the turboexpander. The use of a staged heating scheme for natural gas avoids excessive heating of the combustible gas to a high temperature. The use of a split-shaft setup provides it with a higher efficiency when operating at partial loads compared to a single-shaft setup without a free power gas turbine. Intermediate heating of combustion products in a low-pressure combustion chamber allows increasing the power of the unit, and the use of regenerative heating of compressed air - to increase the effective efficiency of the unit and to reduce the specific fuel consumption for the production of a unit of useful energy.

На фигуре представлена принципиальная схема предлагаемой газораспределительной станции с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой с разрезным валом.The figure shows a schematic diagram of the proposed gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft.

Газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной установкой с разрезным валом содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, первую 4 и вторую 5 ступень турбодетандера, кинематически связанного с компрессором низкого давления 6, охладитель воздуха 7, подогреватель газа 8, компрессор высокого давления 9, регенеративный подогреватель сжатого воздуха 10, камеру сгорания высокого давления 11, газовую турбину высокого давления 12, камеру сгорания низкого давления 13, силовую газовую турбину низкого давления 14, электрогенератор 15, а также соответствующие коммуникационные трубопроводы природного газа, воздуха и продуктов сгорания.A gas distribution station with an expander-compressor gas turbine unit with a split shaft contains a main gas pipeline 1 with a reducing device 2, a gas pipeline of reduced gas pressure 3, the first 4 and second 5 stages of a turboexpander, kinematically connected to a low pressure compressor 6, an air cooler 7, a gas heater 8, high pressure compressor 9, regenerative compressed air heater 10, high pressure combustion chamber 11, high pressure gas turbine 12, low pressure combustion chamber 13, low pressure power gas turbine 14, electric generator 15, as well as corresponding communication pipelines for natural gas, air and products combustion.

Установка работает следующим образом.The installation works as follows.

Поток природного газа из магистрального газопровода 1 по ответвлению, параллельному байпасной нитке газопровода с редуцирующим устройством 2, подается в охладитель сжатого воздуха 3. Подогретый таким образом за счёт теплоты сжатого воздуха природный газ поступает в первую ступень 4 турбодетандера, откуда после расширения с совершением полезной работы направляется в подогреватель газа 8, после чего вновь, будучи предварительно подогретым за счёт теплоты продуктов сгорания, расширяется во второй ступени 5 турбодетандера и поступает в газопровод сниженного давления 3. Воздух из атмосферы сжимается в компрессоре низкого давления 6, затем поступает в охладитель 7, где от него отводится теплота к природному газу. После этого поток охлаждённого сжатого воздуха попадает в компрессор высокого давления 9, после которого нагревается за счёт теплоты продуктов сгорания в регенеративном подогревателе 10 и подается в камеру сгорания высокого давления 11. Образующиеся после сжигания топлива продукты сгорания поступают в газовую турбину высокого давления 12, после расширения в которой направляются в камеру сгорания низкого давления 13, где получают дополнительный промежуточный подогрев, а затем следуют в силовую газовую турбину низкого давления 14, приводящую электрогенератор 15. The flow of natural gas from the main gas pipeline 1 through a branch parallel to the bypass line of the gas pipeline with a reducing device 2 is supplied to a compressed air cooler 3. The natural gas heated in this way by the heat of compressed air enters the first stage 4 of the turboexpander, from where, after expansion with the performance of useful work is sent to the gas heater 8, after which, again, being preheated due to the heat of combustion products, it expands in the second stage 5 of the turboexpander and enters the reduced pressure gas pipeline 3. Air from the atmosphere is compressed in the low pressure compressor 6, then enters the cooler 7, where heat is removed from it to natural gas. After that, the flow of cooled compressed air enters the high-pressure compressor 9, after which it is heated due to the heat of the combustion products in the regenerative heater 10 and supplied to the high-pressure combustion chamber 11. The combustion products formed after fuel combustion enter the high-pressure gas turbine 12 after expansion in which they are sent to the low-pressure combustion chamber 13, where additional intermediate heating is obtained, and then they follow to the low-pressure power gas turbine 14, driving the electric generator 15.

Мощность силовой газовой турбины низкого давления полностью расходуется на выработку электроэнергии. Привод компрессора низкого давления обеспечивается только за счет энергии избыточного давления природного газа. Использование ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением и ступенчатое расширение природного газа в турбодетандере позволяет повысить эффективность установки, а промежуточного подогрева продуктов сгорания – ее полезную мощность.The power of a low-pressure power gas turbine is completely consumed in power generation. The low pressure compressor is driven only by the overpressure energy of natural gas. The use of staged air compression with its intermediate cooling and staged expansion of natural gas in a turboexpander allows increasing the efficiency of the installation, and intermediate heating of combustion products - its useful capacity.

Claims

A gas distribution station with an expander-compressor gas turbine unit with a split shaft, containing a main gas pipeline with a reducing device, a gas pipeline of reduced gas pressure, the first and second stages of a turboexpander kinematically connected to a low-pressure compressor, an air cooler, a gas heater, a high-pressure compressor, a regenerative compressed air, a high-pressure combustion chamber, a high-pressure gas turbine, a low-pressure combustion chamber, a low-pressure power gas turbine, an electric generator, as well as corresponding communication pipelines of natural gas, air and combustion products, characterized in that the turbo expander drives a low-pressure compressor, not kinematically connected to the power gas turbine, staged air compression with its intermediate cooling simultaneously with staged heat supply to the natural gas stream before its expansion in a turboexpander , intermediate heating of combustion products and regenerative heating of compressed air are provided.