RU2213915C1

RU2213915C1 - Turbo-expander plant

Info

Publication number: RU2213915C1
Application number: RU2002102020/06A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Цирельман; Д.Х. Шайхутдинов
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-10-10

Abstract

FIELD: gas industry; power engineering; refrigerating engineering; plants for utilization of potential energy of gas pressure. SUBSTANCE: proposed plant includes turbo- expander, electric generator mounted on one shaft with turbo-expander and vortex tube whose inlet is connected to line supplying gas to turbo- expander; vortex tube has hot gas flow outlet which is connected to turbo- expander for heating its working surfaces and cold gas flow outlet connected to low-pressure line after turbo-expander; plant is also provided with cooling chamber connected with turbo-expander by means of low-pressure line through separator mounted between them. EFFECT: avoidance of icing of working surfaces and choking of heat exchangers. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газовой промышленности, к энергетике и холодильной технике и, в частности, к установкам по утилизации потенциальной энергии давления газа. The invention relates to the field of the gas industry, to energy and refrigeration and, in particular, to installations for the utilization of potential energy of gas pressure.

Известны турбодетандерные установки (ТДУ), утилизирующие потенциальную энергию давления природного газа. Known turboexpander units (TDU) utilizing the potential pressure energy of natural gas.

Известна ТДУ, содержащая расширительную машину (например, турбину) и генератор электрического тока, герметическую камеру и проходные изоляторы [Патент РФ 2151971, кл. F 25 В 11/00, 2000]. Known TDU containing an expansion machine (for example, a turbine) and an electric current generator, a hermetic chamber and bushings [RF Patent 2151971, cl. F 25 B 11/00, 2000].

Недостатком данной установки является то, что из-за значительного понижения температуры при расширении природного газа будет происходить выпадение из него твердых частиц гидратов, конденсация паров воды и высококипящих компонентов природного газа, что может привести к обледенению рабочих поверхностей турбодетандера и засорению трубопроводов для транспортировки расширившегося газа. The disadvantage of this installation is that due to a significant decrease in temperature during the expansion of natural gas, hydrate solid particles will fall out of it, condensation of water vapor and high-boiling components of natural gas will lead to icing of the working surfaces of the turbine expander and clogging of pipelines for transporting expanded gas .

Этот недостаток преодолевается в известной ТДУ, содержащей турбодетандер, электрогенератор и газоводяной теплообменник для подогрева природного газа перед детандером [А.А. Степанец. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ // Энергетик. - 4, 1999 г., с.2]. This disadvantage is overcome in the well-known TDU containing a turboexpander, an electric generator and a gas-water heat exchanger for heating natural gas before the expander [A.A. Stepanets. On the effectiveness of expander-generator units in the thermal scheme of a thermal power plant // Energetik. - 4, 1999, p.2].

Недостатком данной установки является то, что для подогрева природного газа перед турбодетандером необходимо наличие источников бросового тепла. The disadvantage of this installation is that for the heating of natural gas in front of the expander, the presence of waste heat sources is necessary.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой ТДУ является турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, лопаточную машину и теплообменники [Патент РФ 2148218, кл. F 25 В 11/00, 2000]. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed TDU is a turboexpander installation containing a turboexpander, a blade machine and heat exchangers [RF Patent 2148218, cl. F 25 B 11/00, 2000].

Недостатком данной установки является значительное понижение температуры при расширении природного газа, в результате чего будет происходить выпадение из него твердых частиц гидратов, конденсация паров воды и высококипящих компонентов природного газа, что может привести к обледенению рабочих поверхностей турбодетандера и засорению трубопроводов для транспортировки расширившегося газа. The disadvantage of this installation is a significant decrease in temperature during the expansion of natural gas, which will result in the precipitation of solid hydrate particles, condensation of water vapor and high-boiling components of natural gas, which can lead to icing of the working surfaces of the turbine expander and clogging of pipelines for transporting expanded gas.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, является предотвращение обледенения рабочих поверхностей турбодетандера и засорения теплообменников холодильной камеры за счет применения турбодетандера с подогреваемыми рабочими поверхностями и сепаратора, установленного между турбодетандером и холодильной камерой. The problem to which the claimed invention is directed is to prevent icing of the working surfaces of the turboexpander and clogging of the heat exchangers of the refrigeration chamber through the use of a turbine expander with heated working surfaces and a separator installed between the turbine expander and the refrigeration chamber.

Поставленная задача решается тем, что в ТДУ, содержащей турбодетандер, в отличие от прототипа установлены электрогенератор, находящийся на одном валу с турбодетандером, вихревая труба, имеющая вход, который присоединен к линии подачи газа в турбодетандер, выход горячего потока газа из вихревой трубы, присоединенный к турбодетандеру для обогрева его рабочих поверхностей, и выход холодного потока газа из вихревой трубы, присоединенный к линии низкого давления за турбодетандером, и холодильная камера, соединенная линией низкого давления с турбодетандером через установленный между ними сепаратор. The problem is solved in that in the TDU containing the turboexpander, in contrast to the prototype, an electric generator is installed, located on the same shaft with the turboexpander, a vortex tube having an inlet that is connected to the gas supply line to the turbo expander, the outlet of the hot gas stream from the vortex tube, connected to a turbo-expander for heating its working surfaces, and the exit of a cold gas stream from the vortex tube, connected to the low pressure line behind the turbo-expander, and a cooling chamber, connected by a low pressure line to turboexpander through a separator installed between them.

Существо устройства поясняется чертежами (фиг.1 и фиг.2). На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки, а на фиг.2 - схема обогрева рабочих поверхностей ступени турбодетандера. The essence of the device is illustrated by drawings (figure 1 and figure 2). Figure 1 presents a diagram of the proposed installation, and figure 2 is a diagram of the heating of the working surfaces of the turbine expander stage.

Турбодетандерная установка (фиг.1) содержит турбодетандер 1, присоединенный к линии высокого давления и находящийся на одном валу с электрогенератором 2, вихревую трубу 3, имеющую вход 4, который подсоединен к линии высокого давления, выход горячего потока газа 5 из вихревой трубы 3, соединенный с турбодетандером 1, и выход холодного потока газа 6 из вихревой трубы 3, соединенный с линией низкого давления за турбодетандером 1, холодильную камеру 7, которая соединена с турбодетандером 1 линией низкого давления через установленный между ними сепаратор 8. На фиг.2 показана схема обогрева рабочих поверхностей ступени турбодетандеpa 1. Эта ступень состоит из соплового аппарата 9 и лопатки рабочего колеса 10. Выход горячего потока газа 6 вихревой трубы 3 соединен с коллектором 11 соплового аппарата 9 и с лопатками рабочего колеса 10, внутри которых проделаны каналы 12. The turboexpander unit (Fig. 1) contains a turboexpander 1 connected to the high pressure line and located on the same shaft as the electric generator 2, a vortex tube 3 having an inlet 4 that is connected to the high pressure line, the outlet of the hot gas stream 5 from the vortex tube 3, connected to the turbo-expander 1, and the exit of the cold gas stream 6 from the vortex tube 3, connected to the low pressure line behind the turbo-expander 1, a cooling chamber 7, which is connected to the turbo-expander 1 by the low-pressure line through a separator installed between them torus 8. Figure 2 shows the heating circuit of the working surfaces of the turbo expander stage 1. This stage consists of a nozzle apparatus 9 and an impeller blade 10. The outlet of a hot gas stream 6 of the vortex tube 3 is connected to the manifold 11 of the nozzle apparatus 9 and to the impeller blades 10 within which channels 12 are made.

Работа установки осуществляется следующим образом. Природный газ из линии высокого давления поступает в турбодетандер 1, где происходит его расширение с понижением температуры. При этом потенциальная энергия давления газа преобразуют в механическую работу на валу турбодетандера 1, которую в свою очередь трансформируют в электрическую энергию в электрогенераторе 2. В потоке газа происходит конденсация паров воды и высококипящих компонентов, выпадение твердых частиц - гидратов, которые могут привести к обледенению рабочих поверхностей турбодетандера 1 и засорению теплообменников холодильной камеры 7. Для предотвращения этого обогревают рабочие поверхности турбодетандера 1 и устанавливают между турбодетандером 1 и холодильной камерой 7 сепаратор 8 для улавливания сконденсировавшийся жидкости и твердых частиц. Повышение температуры газа, необходимое для обогрева рабочих поверхностей турбодетандера 1, осуществляют в вихревой трубе 3, в которую направляют часть природного газа из линии высокого давления. В вихревой трубе поток разделяют на холодную и горячую части. Температура горячей части получается достаточно высокой и составляет около 50...75^oC [Мартынов А.В., Бродянский В.А. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976, стр.3]. Эту часть потока направляют на обогрев рабочих поверхностей турбодетандера 1, схема которого показана на фиг.2. Схема обогрева соплового аппарата 9 и лопаток рабочего колеса 10 выполнена по аналогии со схемами охлаждения камер сгорания жидкостного ракетного двигателя [Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1968. - с. 117, 118] и лопаток высокотемпературных газовых турбин авиационных ГТД [Крюков А.И. Некоторые вопросы проектирования ГТД: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1993. - с.85, 86] соответственно. Горячий газ поступает в коллектор 11, а из него в обогреваемый тракт, выполненный в виде каналов 12 в сопловом аппарате 9. Проходя по каналам 12, газ обогревает стенки соплового аппарата 9 и при этом охлаждается сам. Для возможности обогрева лопаток рабочего колеса 10 в них проделаны вертикальные каналы 12, в которые снизу подают горячий газ, который, пройдя по каналу 12, выходит вверх и смешивается с остальным газом. Уровень температуры холодной части потока около 0^oС, поэтому он смешивается с остальным потоком природного газа за турбодетандером 1. Далее природный газ поступает в сепаратор 8, в котором происходит отделение гидратов и конденсата. Затем очищенный природный газ направляют в холодильную камеру 7.The installation is as follows. Natural gas from the high pressure line enters the turbine expander 1, where it expands with decreasing temperature. In this case, the potential energy of the gas pressure is converted into mechanical work on the shaft of the turboexpander 1, which, in turn, is converted into electrical energy in the generator 2. In the gas stream, water vapor and high-boiling components condense, precipitation of solid particles - hydrates, which can lead to icing of workers surfaces of the turbine expander 1 and clogging of the heat exchangers of the refrigeration chamber 7. To prevent this, the working surfaces of the turboexpander 1 are heated and installed between the turbine expander 1 and the refrigerating chamber 7 separator 8 for trapping condensed liquid and solid particles. The increase in gas temperature necessary for heating the working surfaces of the turboexpander 1 is carried out in a vortex tube 3, into which part of the natural gas is directed from the high pressure line. In a vortex tube, the flow is divided into cold and hot parts. The temperature of the hot part turns out to be quite high and is about 50 ... 75 ^o C [Martynov A.V., Brodyansky V.A. What is a vortex tube? M .: Energy, 1976, p. 3]. This part of the flow is directed to the heating of the working surfaces of the turboexpander 1, a diagram of which is shown in figure 2. The heating circuit of the nozzle apparatus 9 and the blades of the impeller 10 is made by analogy with the cooling schemes of the combustion chambers of a liquid rocket engine [M. Dobrovolsky Liquid rocket engines. - M.: Mechanical Engineering, 1968. - p. 117, 118] and blades of high-temperature gas turbines of aircraft gas turbine engines [Kryukov AI Some issues of designing a gas turbine engine: Textbook. - M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1993. - p.85, 86], respectively. Hot gas enters the collector 11, and from it into the heated path, made in the form of channels 12 in the nozzle apparatus 9. Passing through the channels 12, the gas heats the walls of the nozzle apparatus 9 and is cooled by itself. In order to be able to heat the impeller blades 10, vertical channels 12 are made in them, into which hot gas is supplied from below, which, passing through channel 12, goes up and mixes with the rest of the gas. The temperature of the cold part of the stream is about 0 ^o С, so it mixes with the rest of the natural gas stream behind the turboexpander 1. Next, the natural gas enters the separator 8, in which the hydrates and condensate are separated. Then the purified natural gas is sent to the refrigerator 7.

Предлагаемая схема турбодетандерной установки позволяет наиболее полно использовать потенциальную энергию давления газа магистральных трубопроводов, которая в данное время рассеивается на газораспределительных станциях (ГРС) и пунктах (ГРП) при редуцировании давления газа от величины магистрального уровня до уровня, необходимого потребителю. The proposed turboexpander installation scheme allows the fullest possible use of the potential gas pressure energy of the main pipelines, which is currently dissipated at gas distribution stations (GDS) and points (hydraulic fracturing) while reducing the gas pressure from the value of the main level to the level required by the consumer.

Claims

A turboexpander installation comprising a turboexpander, characterized in that it has an electric generator located on the same shaft as the turboexpander, a vortex tube having an inlet that is connected to a gas supply line to the turboexpander, an outlet of a hot gas stream from the vortex tube, connected to a turbine expander for heating its working surfaces, and the exit of the cold gas stream from the vortex tube, connected to the low pressure line behind the turbo-expander, and a cooling chamber, connected by the low-pressure line to the turbo-expander nucleus through the separator installed between them.