RU2145386C1

RU2145386C1 - Method for operation of gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2145386C1
Application number: RU97121241A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гуров; Ю.Г. Борисенко; Павел Дмитриевич Жеманюк; Федор Иванович Ищенко; И.Ф. Супонников; Павел Алексеевич Хомутов
Original assignee: Гуров Валерий Игнатьевич; Борисенко Юрий Георгиевич; Павел Дмитриевич Жеманюк; Федор Иванович Ищенко; Супонников Игорь Федорович; Павел Алексеевич Хомутов
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2000-02-10

Abstract

FIELD: gas-turbine plants, applicable in production of ground power units for generation of electric power and heat with a high efficiency and at high ecological indicators. SUBSTANCE: turbo-expander 4 combined in shaft with a gas-turbine plant operates on high-pressure air fed from self-contained air compressor 5. Air cooled down as compared with atmospheric air past turbo-expander 4 is fed to inlet 3 of the air compressor of gas-turbine plant 1. Powers of gas- turbine plant 1 and turbo-expander 4 are transmitted to electric generator 3, and high-pressure air heat - to system 8 through heat exchanger 6. EFFECT: enhanced efficiency, reliability, expanded range of application of the gas-turbine plant. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, особенно при их работе вблизи локальных нефтегазовых месторождений. The invention relates to gas turbine plants. It can be used to create ground-based installations for generating electricity and heat with high efficiency and high environmental performance, especially when they work near local oil and gas fields.

Известен способ эффективного использования турбокомпрессорных установок для снижения давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) взамен редукторов давления клапанного типа. Так, по техническому решению, принятому за аналог и представленному в патенте ФРГ N2833136 МКИ - F 01 K 27/00, 1980 год, турбина природного газа вращает компрессор и электрогенератор, причем тепло закомпрессорного воздуха используется для подогрева природного газа на выходе из турбодетандера. Недостатком аналога является низкий удельный съем электрической энергии с одного килограмма природного газа избыточного давления. A known method for the effective use of turbocompressor plants to reduce the pressure of natural gas at gas distribution stations (GDS) instead of valve-type pressure reducers. So, according to the technical solution adopted for the analogue and presented in German patent N2833136 MKI - F 01 K 27/00, 1980, a natural gas turbine rotates a compressor and an electric generator, and the heat of the compressor air is used to heat natural gas at the outlet of the turbine expander. The disadvantage of the analogue is the low specific removal of electric energy from one kilogram of natural gas overpressure.

Известен эффективный способ повышения удельного съема электроэнергии при снижении давления природного газа на ГРС, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа при снижении давления природного газа в нем на ГРС и работы газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления на выходе из турбодетандера, причем работу газотурбинного двигателя осуществляют при его изменяемой мощности, вплоть до ее нулевого значения с поддержанием температуры природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273 К. Этот способ принят за прототип и представлен в патенте РФ по заявке N 94031038 с приоритетом от 23 августа 1994 года. There is an effective way to increase the specific removal of electricity while reducing the pressure of natural gas on the gas distribution system, based on combining the operation of the turbine expander of natural gas while reducing the pressure of natural gas in it on the gas distribution system and the gas turbine engine while maintaining a constant pressure at the outlet of the turbine expander, and the gas turbine engine is operated at its variable power, up to its zero value while maintaining the temperature of natural gas at the outlet of the turboexpander is not lower than 273 K. This method they take it as a prototype and are presented in the patent of the Russian Federation on application N 94031038 with a priority of August 23, 1994.

Однако недостатками способа работы газотурбинной установки по прототипу является низкая ее надежность работы и ее привязанность к ГРС, что приводит к узким пределам применимости. However, the disadvantages of the method of operation of a gas turbine installation according to the prototype is its low reliability and its attachment to GDS, which leads to narrow limits of applicability.

Изобретение ставит задачи повышения эффективности, надежности и расширения пределов применимости способа работы газотурбинной установки. Поставленные задачи решаются тем, что взамен природного газа используют воздух повышенного давления, который получают от автономного воздушного компрессора и направляют через температуропонижающий теплообменник в турбодетандер и после его прохождения воздух пониженных температуры и давления направляют на вход в воздушный компрессор газотурбинного двигателя. The invention aims to increase the efficiency, reliability and expand the limits of applicability of the method of operation of a gas turbine installation. The tasks are solved by the fact that instead of natural gas, high pressure air is used, which is obtained from a stand-alone air compressor and sent through a temperature-reducing heat exchanger to a turboexpander, and after it passes, low-temperature and pressure air is sent to the gas turbine engine air compressor inlet.

Таким образом, предлагаемый способ работы газотурбинной установки заключается в совмещении работы турбодетандера и работы газотурбинной установки, причем в турбодетандер направляют воздух повышенного давления от автономного воздушного компрессора через температуропонижающий теплообменник и воздух после прохождения турбодетандера направляют на вход в воздушный компрессор газотурбинной установки. Thus, the proposed method of operation of a gas turbine installation consists in combining the operation of a turbine expander and the operation of a gas turbine installation, wherein high pressure air is sent to the turboexpander from an autonomous air compressor through a temperature-reducing heat exchanger and the air after turbine expander passes to the inlet to the air compressor of the gas turbine installation.

Заявителю неизвестны технические решения, признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным. The applicant is not aware of technical solutions, features similar to those that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to consider the proposed solution patentable.

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы газотурбинной установки, представлена на чертеже. Она включает газотурбинную установку 1 со входной частью 2 воздушного компрессора и с электрогенератором 3, турбодетандер 4, автономный воздушный компрессор 5, температуропонижающий теплообменник 6, систему 7 подачи природного газа в газотурбинную установку 1, систему 8 потребления тепла. A structural diagram of the installation that implements the proposed method of operation of a gas turbine installation is presented in the drawing. It includes a gas turbine unit 1 with an inlet 2 of an air compressor and with an electric generator 3, a turboexpander 4, an autonomous air compressor 5, a temperature-reducing heat exchanger 6, a system 7 for supplying natural gas to a gas turbine unit 1, a heat consumption system 8.

Работа установки, схематично представленной на чертеже, осуществляется следующим образом. Через систему 7 в установку 1 подается природный газ и осуществляется ее запуск. Одновременно включается в работу автономный воздушный компрессор 5, воздух повышенного давления из которого поступает через теплообменник 6, передающий тепло системе 8, в турбодетандер 4 и затем после него во входную часть 2 воздушного компрессора ГТУ. В компрессоре 5 повышаются давление и температура воздуха, поступающего из окружающей среды. Этот воздух в теплообменнике 6 снижает свою температуру с передачей тепла системе 8 и с повышенным (против атмосферного) давлением поступает в турбодетандер 4. В турбодетандере 4 снижаются давление воздуха и его температура до значения, меньшего температуры окружающей среды. Во входной части 2 охлажденный воздух после турбодетандера 4 смешивается со всасываемым воздухом окружающей среды, в результате чего снижается средняя температура воздуха, поступающего в воздушный компрессор ГТУ, против температуры окружающей среды. Турбодетандер 4 может иметь регулируемый сопловой аппарат, с помощью которого может регулироваться давление и температура воздуха после турбодетандера. The operation of the installation, schematically presented in the drawing, is as follows. Through system 7, natural gas is supplied to unit 1 and it is started. At the same time, an autonomous air compressor 5 is turned on, the high pressure air from which enters through a heat exchanger 6, which transfers heat to the system 8, into the turbo expander 4 and then after it to the inlet part 2 of the gas turbine compressor. In the compressor 5, the pressure and temperature of the air coming from the environment increase. This air in the heat exchanger 6 reduces its temperature with heat transfer to the system 8 and with increased (against atmospheric) pressure enters the turboexpander 4. In the turboexpander 4, the air pressure and its temperature are reduced to a value lower than the ambient temperature. In the inlet part 2, the cooled air after the turboexpander 4 is mixed with the intake air of the environment, as a result of which the average temperature of the air entering the gas turbine compressor is reduced against the ambient temperature. The turboexpander 4 may have an adjustable nozzle apparatus, with which the pressure and air temperature after the turboexpander can be adjusted.

В результате работы установки 1, турбодетандера 4, теплообменника 6 и компрессора 5 вырабатываются механическая работа, воспринимаемая электрогенератором 3, и тепло, воспринимаемое системой 8. Такое взаимодействие основных узлов в представленной на чертеже схеме энергетической установки дает приращение полезного эффекта от работы газотурбинной установки 1 по следующим составляющим:
от снижения температуры воздуха, поступающего во входную часть 2 воздушного компрессора;
от работы турбодетандера 4;
от работы теплообменника 6.As a result of the operation of unit 1, turbine expander 4, heat exchanger 6, and compressor 5, mechanical work is generated, which is perceived by the electric generator 3, and heat, which is perceived by the system 8. Such interaction of the main units in the power plant installation diagram shown in the drawing gives an increment of the useful effect of the operation of gas turbine unit 1 by following components:
from lowering the temperature of the air entering the inlet part 2 of the air compressor;
from the operation of the turboexpander 4;
from the operation of the heat exchanger 6.

В итоге затраченная мощность (АВК) автономного воздушного компрессора 5, отнесенная к сумме перечисленных составляющих, дает представление о коэффициенте η_кет полезного использования мощности АВК. Результаты проведенных расчетов в диапазоне изменения температуры T_н ^* окружающей среды 293...318 К показали возможность получения величины η_кет на уровне 200 процентов при оптимальной степени повышения давления АВК вблизи 2 при следующих параметрах и условиях работы установки по чертежу:
коэффициент σ восстановления полного давления воздуха в магистрали от АВК до турбодетандера составляет 0,9;
температура воздуха за теплообменником 6 равна температуре T_н ^*;
произведение КПД АВК и турбодетандера равно 0,6;
все тепло закомпрессорного воздуха АВК воспринимается системой 8;
происходит полное смешение воздуха за турбодетандером и всасываемого в воздушный компрессор ГТУ.As a result, the expended power (AVK) of the autonomous air compressor 5, referred to the sum of the listed components, gives an idea of the coefficient η _{ket of the} effective use of the AVK power. The results of the calculations in the range of temperature T _n ^{* of} the environment 293 ... 318 K showed the possibility of obtaining η _ket at 200 percent with the optimal degree of increase in pressure AVK near 2 under the following parameters and operating conditions of the installation according to the drawing:
the coefficient σ of restoration of the total air pressure in the line from the AVK to the expander is 0.9;
the air temperature behind the heat exchanger 6 is equal to the temperature T _n ^* ;
the product of the efficiency of the AVK and the expander is 0.6;
all the heat of the compressor air ABC is perceived by system 8;
there is a complete mixing of the air behind the turboexpander and the gas turbine engine sucked into the air compressor.

Надежность предлагаемого способа против прототипа повышается за счет замены природного газа в турбодетандере на воздух повышенного давления, эффективность его подтверждена расчетом, а расширение пределов применимости - за счет АВК. The reliability of the proposed method against the prototype is increased by replacing natural gas in a turboexpander with high pressure air, its effectiveness is confirmed by calculation, and the expansion of the range of applicability is due to AVK.

Предложенный способ работы газотурбинной установки при использовании в качестве базы передвижной автоматизированной электростанции мощностью 2,5 МВт (ПАЭС-2500) принят к реализации в ЗАО НГТ "Энергия" (г. Славянск на Кубани). Изготовлен и поставлен заказчику опытный образец ПАЭС-2500, совмещенный с турбодетандером. Опытно-промышленные испытания планируется провести в 1998 году. The proposed method of operation of a gas turbine unit when using a 2.5 MW mobile automated power station (PAES-2500) as a base has been accepted for implementation at ZAO NGT Energia (Slavyansk, Kuban). A prototype PAES-2500, combined with a turboexpander, was manufactured and delivered to the customer. Pilot tests are planned in 1998.

Claims

The method of operation of a gas turbine installation, which consists in combining the operation of a turbine expander and the operation of a gas turbine installation (GTU), sending high pressure air to the turboexpander from an autonomous air compressor through a temperature-reducing heat exchanger and in the air direction after the turbine has expanded to the inlet of the gas turbine compressor, characterized in that temperature and air pressure is carried out using an adjustable nozzle apparatus and air directed after the turboexpander with eshivayut with air drawn into the gas turbine air compressor.