RU2148222C1

RU2148222C1 - Operation of turbo-expander plant

Info

Publication number: RU2148222C1
Application number: RU96108550A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гуров; Е.М. Куликов; А.Е. Плотников
Original assignee: Гуров Валерий Игнатьевич; Куликов Евгений Михайлович; Плотников Аркадий Ефимович
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2000-04-27

Abstract

FIELD: pipe-line transport. SUBSTANCE: high-pressure natural gas goes from main pipe-line into turbo-expander and expands there with reduction of temperature. Natural gas leaves turbo-expander and is heated in heat exchanger thanks to action of heated air fed from space behind compressor that is supplied from air compressor with simultaneous cooling of air. Condensed moisture of air is separated in water separator. Compressed and dried air goes into separation unit in which gaseous and liquid nitrogen, liquid oxygen and liquid argon are produced. Usage of invention makes it feasible to generate cold in air separation unit by cooling of air with natural gas. EFFECT: generation of cold in air separation unit. 1 dwg

Description

Изобретение относится к турбодентандерным установкам и может быть использовано при создании наземных установок по получению сжатого, холодного и осушенного воздуха без затрат электроэнергии и без сжигания топлива при высоких экономических и экологических показателях, при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП). The invention relates to turbo-expander units and can be used to create ground-based installations for the production of compressed, cold and dried air without the consumption of electricity and without burning fuel at high economic and environmental indicators, while reducing the pressure of natural gas at gas distribution stations (gas distribution stations) and gas control points ( Hydraulic fracturing).

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-250). 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 = 3.000 об/мин. При этом давление природного газа в турбодетандере снижается с 2,2 МПа до 1,0 МПа при исходной температуре газа, поступающего в турбодетандер, на уровне 283 К. Очевидно, что при расширении природного газа с 2,2 МПа 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. A known method of generating electricity by reducing the pressure of natural gas on the gas distribution system in a turboexpander, mechanically connected to an electric generator. This method is taken as an analogue and is presented in the brochure "Vneshtorgizdat, ed. N 01M31 / 5, 1989". An analogous technical solution implements at a gas distribution station with a natural gas flow rate of about 40 kg / s a method for operating a turboexpander plant based on a gearless connection of a five-stage axial turbine with an electric generator with a capacity of 2.5 mW (UTDU-250 unit). The operation of the UTDU-2500 installation on a gas distribution system is carried out as follows: natural gas is sent from the high-pressure line to the consumer in parallel through a stationary device and through a rotating turboexpander, in which the overpressure of natural gas is reduced, and the natural gas flows after the stationary device and a rotating turbine expander in the main consumer with maintaining the pressure of natural gas at the level required by the consumer when the pressure of natural gas of high pressure changes until it arrives about on GDS, and the received power of the turboexpander is transmitted to the power consumer. Thus, the technical solution of the analogue allows to increase the reliability of the installation for generating electricity at gas distribution stations due to the direct transmission (without gear) of the turboexpander power to the electric generator with a rotation speed of n = 3.000 rpm. In this case, the pressure of natural gas in the turboexpander decreases from 2.2 MPa to 1.0 MPa at the initial temperature of the gas entering the turboexpander, at the level of 283 K. Obviously, when the natural gas expands from 2.2 MPa to 1.0 MPa, its the temperature drops and reaches, in accordance with the description of the mentioned brochure, up to 243 K. Such a temperature of natural gas is unacceptable from the point of view of the reliability of the gas distribution station to supply gas to the consumer.

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, опубликован 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 снижения давления природного газа в турбодетандере, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направленным 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 воздуха, охлаждают природным газом, который пропускают через турбодетандер. В прототипе устраняется недостаток технического решения по аналогу: температура природного газа, поступающего к потребителю, выше 273 К, однако, недостатком способа по прототипу является пониженная надежность турбодетандера, обусловленная теплообменом между газом и воздухом при высоком уровне давления природного газа. В результате имеется высокая вероятность разрушения рабочих элементов теплообменника в процессе работы турбодетандера. There is a method of increasing the reliability of the operation of a turboexpander on a gas distribution system, presented in RF patent N 2036394 "Method for producing cold" with priority of November 23, 1992 F 25 B 11/00, published on 05.27.95., Bull. N 15. This method is adopted as a prototype and is based on air compression in the compressor, expansion and removal of heat load by a consumer of cold, moreover, air compression is carried out due to the work obtained from reducing the pressure of natural gas in a turboexpander, and air cooling is carried out with natural gas aimed at reduction. Thus, in accordance with the technical solution adopted for the prototype, natural gas of increased pressure is passed through a turboexpander with a decrease in pressure in it, mechanically transmit the power of the turboexpander to the blade machine to increase air pressure, cooled by natural gas, which is passed through a turboexpander. The prototype eliminates the disadvantage of a technical solution by analogy: the temperature of natural gas supplied to the consumer is higher than 273 K, however, the disadvantage of the prototype method is the reduced reliability of the turboexpander due to heat exchange between gas and air at a high level of natural gas pressure. As a result, there is a high probability of destruction of the working elements of the heat exchanger during the operation of the turbo expander.

Изобретение решает задачу повышения эффективности и надежности способа работы турбодетандерной установки. Поставленная задача решается тем, что охлаждение воздуха осуществляют после турбодетандера с последующим его осушением и осушенный воздух повышенного давления направляют в блок разделения воздуха для получения газообразного и жидкого азота, жидкого кислорода и жидкого аргона. The invention solves the problem of increasing the efficiency and reliability of the method of operation of a turbo-expander. The problem is solved in that the air is cooled after the turboexpander and then dried, and the dried high pressure air is sent to the air separation unit to obtain gaseous and liquid nitrogen, liquid oxygen and liquid argon.

Заявителю не известны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипов, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным. The applicant is not aware of technical solutions containing features similar to those distinguishing the claimed solution from the prototypes, which makes it possible to consider the proposed solution patentable.

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы турбодетандерной установки, представлена на чертеже. Она включает магистраль природного газа высокого давления 1, турбодетандер 2, вал 3, лопаточную машину-компрессор 4 по повышению давления воздуха, теплообменник 5 природного газа с воздухом, влагоотделитель 6, блок разделения воздуха 7, магистраль 8 подвода атмосферного воздуха, магистраль 9 отвода воздуха повышенного давления, магистраль 10 отвода природного газа к потребителю, магистраль 11 подвода охлажденного и осушенного воздуха к блоку разделения воздуха 7, магистраль 22 отвода кислорода, магистраль 13 отвода азота, магистраль 14 отвода аргона от блока разделения воздуха. A structural diagram of the installation that implements the proposed method of operation of a turbo-expander installation is shown in the drawing. It includes a high-pressure natural gas highway 1, a turbo expander 2, a shaft 3, a vane-compressor 4 to increase air pressure, a natural gas-air heat exchanger 5, a moisture separator 6, an air separation unit 7, an atmospheric air supply line 8, and an air exhaust pipe 9 high pressure, line 10 of the removal of natural gas to the consumer, line 11 of the supply of cooled and dried air to the air separation unit 7, line 22 of the oxygen outlet, line 13 of the nitrogen outlet, line 14 of the exhaust gas on from the air separation unit.

Работа установки, схематично представленная на фиг. 1, осуществляется следующим образом: природный газ высокого давления, поступающий из магистрали 1, направляют в турбодетандер 2, приводя его во вращение с одновременным снижением давления природного газа. Вращения турбодетандера 2 и его мощность посредством вала 3 передают лопаточной машине-компрессору 4. Воздух из атмосферы засасывается по магистрали 8 в компрессор 4, в котором повышается давление атмосферного воздуха. После этого воздух направляется по магистрали 9 в теплообменник 5, в котором, охлаждаясь, отдает часть тепла природному газу, поступающему к потребителю по магистрали 10, и тем самым повышает его температуру. Известно, что температура природного газа в магистрали 10 должна быть не ниже 273 К. После теплообменника 5 охлажденный воздух повышенного давления направляют к влагоотделителю 6 и частично осушенный поступает в блок разделения воздуха 7. Выделенный кислород отводится по магистрали 12, азот - по магистрали 13, аргон - по магистрали 14. The operation of the installation, shown schematically in FIG. 1, is carried out as follows: high-pressure natural gas coming from the highway 1 is sent to a turboexpander 2, bringing it into rotation while reducing the pressure of natural gas. The rotation of the turboexpander 2 and its power through the shaft 3 is transmitted to the blade machine-compressor 4. Air from the atmosphere is sucked in through the line 8 into the compressor 4, in which the atmospheric air pressure increases. After that, the air is directed along the line 9 to the heat exchanger 5, in which, when cooled, it transfers part of the heat to the natural gas entering the consumer through the line 10, and thereby increases its temperature. It is known that the temperature of natural gas in line 10 should not be lower than 273 K. After the heat exchanger 5, the cooled pressure air is sent to the moisture separator 6 and partially drained enters the air separation unit 7. The released oxygen is discharged through line 12, nitrogen - through line 13, argon - on the highway 14.

Снижение давления природного газа в турбодетандере 2 приводит к снижению температуры газа в магистрали 10. Использование теплообменника 5 позволяет нагреть природный газ путем снижения температуры воздуха и тем самым передать холод блоку 7 через воздухоосушитель 6. A decrease in the pressure of natural gas in the turboexpander 2 leads to a decrease in the temperature of the gas in the line 10. Using a heat exchanger 5 allows you to heat natural gas by lowering the air temperature and thereby transferring cold to the unit 7 through the air dryer 6.

Дополнительная по сравнению с прототипом надежность способа работы турбодетандерной установки достигается за счет нагрева природного газа после турбодетандера при меньшем давлении природного газа. Эффективность достигается за счет поступления осушенного и охлажденного воздуха повышенного давления в блок 7. Additional reliability compared to the prototype of the method of operation of the turbo-expander is achieved by heating natural gas after the turbo-expander at a lower pressure of natural gas. Efficiency is achieved due to the intake of dried and cooled air of increased pressure in block 7.

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета работы установки, схематично представленнной на фиг. 1, при следующих исходных данных характерных ГРП металлургических заводов:
Расход природного газа через турбину 2, кг/с - 8
Расход воздуха через компрессор, кг/с - 5
Степень повышения давления воздуха в компрессоре 4 - 6,5
Температура наружного воздуха, K - 288
Температура сжатого воздуха перед разделительным блоком 7, K - 278
Влагосодержание, г/кг - 1
КПД воздушного компрессора 4 - 0,81
КПД турбины 2 - 0,86
Частота вращения турбокомпрессора 2-4, об/мин - 15000
Средняя температура природного газа в магистрали 10, K - 275
Расчеты показывают, что при заданных исходных данных мощность турбодетандера 2 составляет величины 1000 -1200 кВт, что обеспечивает расход сжатого и осушенного воздуха от компрессора 4 14 - 15 тыс.норм м³/ч.To illustrate the foregoing, we present the results of calculating the operation of the installation, schematically represented in FIG. 1, with the following initial data of typical hydraulic fracturing of metallurgical plants:
The consumption of natural gas through the turbine 2, kg / s - 8
Air consumption through the compressor, kg / s - 5
The degree of increase in air pressure in the compressor 4 - 6.5
Outside temperature, K - 288
The temperature of the compressed air in front of the separation unit 7, K - 278
Moisture content, g / kg - 1
Efficiency of the air compressor 4 - 0.81
Turbine efficiency 2 - 0.86
Turbocharger rotation frequency 2-4, rpm - 15000
The average temperature of natural gas in the highway 10, K - 275
Calculations show that for given initial data, the power of the turboexpander 2 is 1000 -1200 kW, which ensures the flow of compressed and dried air from compressor 4 from 14 to 15 thousand normal m ³ / h.

На основании проведенных расчетов выявлен большой экономический эффект предлагаемого изобретения по производству кислорода, азота и аргона, что подтверждается результатами экономического расчета. Based on the calculations, a large economic effect of the proposed invention for the production of oxygen, nitrogen and argon was revealed, which is confirmed by the results of economic calculation.

ГРС среднего размера с расходом природного газа 8 кг/с обеспечивает работу блока 7 по разделению воздуха с выпуском продукции на около 160 млн.руб в сутки. Для существующих норм по ВРУ прибыль составляет 30%, что равно 48 млн. руб. , что равносильно на апрель с.г. 10 тыс. долларов США. При средней стоимости установки по данному техническому решению (средняя цена в 1000 тыс. долларов США) окупаемость ее составит 100 суток или приблизительно 3,5 месяца. Это в три раза лучше показателей штатных установок. Medium-sized gas distribution station with a natural gas consumption of 8 kg / s ensures the operation of block 7 for air separation with an output of about 160 million rubles per day. For existing norms on ASU, the profit is 30%, which is equal to 48 million rubles. , which is equivalent to April of this year. 10 thousand US dollars. With the average cost of installation for this technical solution (average price of 1,000 thousand US dollars), its payback will be 100 days or approximately 3.5 months. This is three times better than standard installations.

Высокая безопасность работы установки обеспечивается применением магнитной муфты между турбиной 2 и компрессором 4 для малоразмерных установок (с перегородкой). High safety of the installation is ensured by the use of a magnetic coupling between the turbine 2 and compressor 4 for small installations (with a partition).

Предложенный способ работы турбодетандерной установки планируется внедрить на металлургических комбинатах в 1997 - 1998 гг. The proposed method of operation of a turboexpander plant is planned to be implemented at metallurgical plants in 1997 - 1998.

Claims

The method of operation of a turbo-expander installation, which consists in passing natural gas of elevated pressure through a turbo-expander with decreasing pressure therein, mechanically transfers the power of the turbo-expander to a compressor for increasing air pressure, which is cooled by natural gas, characterized in that the air is cooled after the turbo-expander and then dehumidification and dried air of high pressure is sent to the air separation unit to obtain gaseous and liquid nitrogen, liquid oxygen and liquid of argon.