RU2338908C1 - Gas turbine unit - Google Patents
Gas turbine unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2338908C1 RU2338908C1 RU2007104997/06A RU2007104997A RU2338908C1 RU 2338908 C1 RU2338908 C1 RU 2338908C1 RU 2007104997/06 A RU2007104997/06 A RU 2007104997/06A RU 2007104997 A RU2007104997 A RU 2007104997A RU 2338908 C1 RU2338908 C1 RU 2338908C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas turbine
- gas
- heat exchanger
- power
- compressor
- Prior art date
Links
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано как при создании мощных парогазовых установок (ПТУ), так и для эффективного использования давления природного газа на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах с получением свободной механической энергии, которую можно использовать, например, для независимого привода компрессора газотурбинной установки (ГТУ).The proposed solution relates to power engineering and can be used both to create powerful combined cycle plants (PTU), and to effectively use the pressure of natural gas at gas distribution stations and gas control points to produce free mechanical energy, which can be used, for example, for an independent drive compressor of a gas turbine installation (GTU).
Известна газотурбодетандерная установка для работы на природном газе, включающая магистраль природного газа высокого давления с установленными в ней теплообменником и турбодетандером, соединенным валом с компрессором, снабженная регенеративной газотурбинной установкой, содержащей камеру сгорания, газовую турбину и теплообменник-регенератор, установленный на выходе газовой турбины, причем теплообменник установлен перед турбодетандером и сопряжен с теплообменником-регенератором, а газовая турбина механически соединена с валом, соединяющим турбодетандер с компрессором (патент РФ №2013615, опубл. 30.5.1994).A known gas turbine expander for operating on natural gas, including a high pressure natural gas line with a heat exchanger and a turbine expander installed therein, connected to a compressor by a shaft, equipped with a regenerative gas turbine installation containing a combustion chamber, a gas turbine and a heat exchanger-regenerator installed at the outlet of the gas turbine, moreover, the heat exchanger is installed in front of the turboexpander and is interfaced with the heat exchanger-regenerator, and the gas turbine is mechanically connected to the shaft, soy turbine expander with compressor (RF patent No. 20133615, publ. 30.5.1994).
Известная газотурбодетандерная установка обладает следующими недостатками.Known gas turbine expander has the following disadvantages.
Во-первых, в представленной схеме используется стандартная газотурбинная установка, силовой вал которой кроме генератора дополнительно соединен с турбодетандером. Оптимальная степень сжатия ε одновальных ГТУ при существующем уровне температур (1200-1300°С) составляет порядка 15-20, что влечет за собой сильное увеличение габаритов воздушного компрессора и числа ступеней газовой турбины. Росту массогабаритных показателей установки также способствует то, что соединение единым валом турбодетандера, компрессора, силовой турбины и генератора предопределяет единую частоту вращения все указанных агрегатов, которая задается существующей частотой генератора (50 Гц). Предлагаемый вариант перехода на более высокую частоту вращения требует установки редуктора. В этом случае уменьшение массы и габаритов турбокомпрессорной группы компенсируется введением редуктора. Кроме того, редуктор существенно ограничивает и мощность всей установки.Firstly, in the presented scheme, a standard gas turbine installation is used, the power shaft of which, in addition to the generator, is additionally connected to a turboexpander. The optimal compression ratio ε of single-shaft gas turbines at the existing temperature level (1200-1300 ° C) is about 15-20, which entails a strong increase in the dimensions of the air compressor and the number of stages of a gas turbine. The increase in the overall dimensions of the installation is also facilitated by the fact that the connection of a turboexpander, compressor, power turbine and generator with a single shaft predetermines a single rotation frequency for all of these units, which is determined by the existing generator frequency (50 Hz). The proposed option of switching to a higher speed requires the installation of a gearbox. In this case, a decrease in the mass and dimensions of the turbocompressor group is compensated by the introduction of a gearbox. In addition, the gearbox significantly limits the power of the entire installation.
Во-вторых, полезная мощность собственно газовой турбины не превышает 50% от ее общей мощности, т.к. половина вырабатываемой мощности тратится на привод компрессора. Это обстоятельство также ведет к увеличению массогабаритных показателей газовой турбины.Secondly, the useful power of the gas turbine itself does not exceed 50% of its total capacity, because half of the generated power is spent on the compressor drive. This circumstance also leads to an increase in the overall dimensions of the gas turbine.
В-третьих, использование газовых турбин с высокотемпературными камерами сгорания на газораздаточных станциях в предлагаемом варианте резко снижает безопасность работы таких станций, т.к. при наличии утечки природного газа из турбодетандера при его контакте с камерой сгорания ГТУ возрастает вероятность возгорания и взрыва газа.Thirdly, the use of gas turbines with high-temperature combustion chambers at gas distribution stations in the proposed embodiment sharply reduces the safety of such stations, because if there is a leak of natural gas from the turboexpander when it comes in contact with the gas turbine combustion chamber, the probability of gas fire and explosion increases.
Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание компактной автономной ГТУ с турбодетандерной установкой на линии природного газа, позволяющей использовать энергию сжатого природного газа для выработки электроэнергии с удельным расходом топлива на уровне 150-160 г/кВт против 300-350 г/кВт на обычных ТЭС, обладающей высокой степенью безопасности при увеличенной по сравнению с обычными ГТУ надежностью.The technical problem solved by the proposed technical solution is the creation of a compact autonomous gas turbine with a turboexpander installation on a natural gas line, which allows the use of compressed natural gas energy to generate electricity with a specific fuel consumption of 150-160 g / kW versus 300-350 g / kW conventional thermal power plants, which has a high degree of safety with increased reliability compared to conventional gas turbines.
Поставленная задача решается тем, что в газотурбинной установке, содержащей компрессор, выход из которого подключен к входу камеры сгорания, а выход камеры сгорания соединен с входом силовой газовой турбины, кинематически соединенной только с электрогенератором, теплообменный аппарат соединен входом с высоконапорной магистралью природного газа, а его выход соединен с линией подвода природного газа к турбодетандеру, причем греющей средой в теплообменном аппарате являются горячие газы, выходящие из силовой газовой турбины, компрессор выполнен высокооборотным с независимым от силовой газовой турбины турбодетандерным приводом, а степень сжатия воздуха в высокооборотном компрессоре ε определяется из следующего соотношения:The problem is solved in that in a gas turbine installation containing a compressor, the output of which is connected to the input of the combustion chamber, and the output of the combustion chamber is connected to the input of the power gas turbine kinematically connected only to the electric generator, the heat exchanger is connected by the input to the high-pressure natural gas pipeline, and its output is connected to the line for supplying natural gas to the turbine expander, and the heating medium in the heat exchanger is hot gases leaving the power gas turbine, the compressor It was made high-speed with a turbo-expander drive independent of a power gas turbine, and the air compression ratio in a high-speed compressor ε is determined from the following relation:
где ε - степень сжатия воздуха в компрессоре,where ε is the degree of compression of air in the compressor,
ΔТ - нагрев природного газа в теплообменном аппарате,ΔТ - heating of natural gas in a heat exchanger,
СР - теплоемкость природного газа,C P is the heat capacity of natural gas,
ηоЭ - относительный электрический кпд турбогенераторного блока,η oE is the relative electrical efficiency of the turbogenerator unit,
NЭ - электрическая мощность генератора,N e - the electric power of the generator,
ТС - начальная температура газов перед газовой турбиной,T With - the initial temperature of the gases in front of the gas turbine,
GГ - массовый расход природного газа через турбодетандер,G G - mass flow of natural gas through a turboexpander,
ТУХ - абсолютная температура уходящих из теплообменника газов.Т УХ - absolute temperature of gases leaving the heat exchanger.
В целях безопасности эксплуатации газотурбинной установки на газораздаточных станциях турбодетандер с высокооборотным компрессором установлены в изолированном от силовой газовой турбины боксе.For the safety of operation of a gas turbine installation at gas distribution stations, a turboexpander with a high-speed compressor is installed in a box isolated from the power gas turbine.
Температура подогрева природного газа в теплообменном аппарате должна быть такой, чтобы после турбодетандера она была равна температуре газа в газовой магистрали.The heating temperature of natural gas in the heat exchanger must be such that after the turbine expander it is equal to the temperature of the gas in the gas main.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой газотурбинной установки с приводом компрессора от турбодетандера.The drawing shows a schematic diagram of the proposed gas turbine installation with a compressor drive from a turboexpander.
Газотурбинная установка содержит силовую газовую турбину 1, кинематически связанную с электрогенератором 2. Вход силовой газовой турбины соединен с выходом камеры сгорания 3, вход которой подключен к выходу высокооборотного компрессора 4, соединенного общим валом с турбодетандером 5. Вход турбодетандера 5 через теплообменный аппарат 6 соединен с высоконапорной магистралью природного газа 7. Другой вход теплообменного аппарата 6 соединен с газовой турбиной 1 трубопроводом отработанных газов 8.The gas turbine installation comprises a power gas turbine 1 kinematically connected to an electric generator 2. The input of the power gas turbine is connected to the output of the combustion chamber 3, the input of which is connected to the output of a high-speed compressor 4 connected by a common shaft to the turbo-expander 5. The input of the turbo-expander 5 through the heat exchanger 6 is connected to high-pressure line of natural gas 7. Another input of the heat exchanger 6 is connected to the gas turbine 1 by the exhaust gas pipe 8.
Камера сгорания 3 по топливу соединена магистралью 9 с высоконапорной магистралью природного газа 7 через дроссельную задвижку 11 и с низконапорной линией природного газа топливной магистралью 10 с регулирующим клапаном 12.The fuel combustion chamber 3 is connected by a highway 9 to a high-pressure natural gas line 7 through a throttle valve 11 and to a low-pressure natural gas line by a fuel line 10 with a control valve 12.
Газотурбинная установка работает следующим образом.Gas turbine installation operates as follows.
Природный газ из высоконапорной магистрали 7 через теплообменный аппарат 6 поступает на вход турбодетандера 5, после которого температура газа снижается до температуры в высоконапорной магистрали природного газа 7, а давление падает до давления в магистрали, подводящей природный газ к потребителю. В свою очередь сжатый воздух после высокооборотного компрессора подается в камеру сгорания 3, обеспечивая здесь процесс горения природного газа и повышая до расчетного значения температуру продуктов сгорания перед силовой газовой турбиной 1. После силовой газовой турбины 1 продукты сгорания направляются к теплообменному аппарату 6, где обеспечивается нагрев природного газа до такой температуры, чтобы после турбодетандера 5 температура природного газа была равна температуре газа в высоконапорной магистрали 7, подводящей природный газ к теплообменному аппарату 6.Natural gas from the high-pressure line 7 through a heat exchanger 6 enters the inlet of the turbine expander 5, after which the gas temperature drops to the temperature in the high-pressure natural gas line 7, and the pressure drops to the pressure in the line supplying natural gas to the consumer. In turn, compressed air after a high-speed compressor is supplied to the combustion chamber 3, providing here the natural gas combustion process and increasing the temperature of the combustion products in front of the power gas turbine 1 to the calculated value. After the power gas turbine 1, the combustion products are sent to the heat exchanger 6, where heating is provided natural gas to such a temperature that, after the turbine expander 5, the temperature of the natural gas is equal to the temperature of the gas in the high-pressure line 7 supplying natural gas to heat exchanger 6.
При отделении высокооборотного компрессора 4 от силовой газовой турбины 1 и использовании для его привода внешнего по отношению к газотурбинной установке источника мощности (в данном случае турбодетандера 5) степень сжатия воздуха ε в высокооборотном компрессоре 4 определяется при фиксированной температуре Т0 газов перед силовой газовой турбиной 1 только температурой после газовой турбины, необходимой для нагрева природного газа в теплообменном аппарате 6 и в очень малой степени влияет на абсолютный электрический кпд рассматриваемой ГТУ, так как высокооборотный компрессор 4 приводится в работу от постороннего источника мощности (турбодетандера 5).When separating a high-speed compressor 4 from a power gas turbine 1 and using a power source external to the gas turbine unit (in this case, a turboexpander 5) for its drive, the air compression ratio ε in a high-speed compressor 4 is determined at a fixed gas temperature T 0 in front of the power gas turbine 1 only the temperature after the gas turbine, necessary for heating natural gas in the heat exchanger 6 and to a very small extent affects the absolute electrical efficiency of the considered G Y, since a high speed compressor 4 provided in the work from an external power source (5 turboexpander).
При сформулированном условии согласно проведенным вариантным расчетам степень сжатия воздуха в высокооборотном компрессоре 4 может быть снижена с 15-20, как в обычных ГТУ до 5-7 в предлагаемой ГТУ. Соответственно снижается число ступеней сжатия в высокооборотном компрессоре 4 и число ступеней расширения в силовой газовой турбине 1, что при возможности использования высокооборотного турбодетандера 5 ведет к сокращению массогабаритных показателей всей установки.Under the formulated condition, according to the variant calculations, the degree of air compression in the high-speed compressor 4 can be reduced from 15-20, as in conventional gas turbines to 5-7 in the proposed gas turbines. Accordingly, the number of compression steps in a high-speed compressor 4 and the number of expansion steps in a power gas turbine 1 are reduced, which, if possible, the use of a high-speed turboexpander 5 leads to a reduction in the overall dimensions of the entire installation.
Далее соединение силовой газовой турбины 1 только с электрогенератором 2 позволяет полезно использовать всю мощность силовой газовой турбины 1 и при заданной электрической мощности на 50% по сравнению с обычной схемой ГТУ сократить фактическую мощность турбины.Further, the connection of the power gas turbine 1 only with the electric generator 2 makes it possible to use the entire power of the power gas turbine 1 and, for a given electric power, reduce the actual power of the turbine by 50% compared to the conventional gas turbine circuit.
Отделение высокооборотного компрессора 4 от высокотемпературной камеры сгорания 3 ГТУ, работающей в автономном режиме на газораздаточной станции, имеет принципиальное значение с точки зрения безопасной эксплуатации такой установки, так как в этом случае турбодетандер 5 совместно с высокооборотным компрессором 4 образует отдельный низкотемпературный блок, полностью изолированный от высокотемпературной силовой газовой турбины 1. В этом случае резко снижается вероятность возгорания природного газа, улучшаются условия эксплуатации заднего подшипника высокооборотного компрессора 3, поскольку он работает в условиях относительно низких температур, и существенно упрощается ремонт и профилактическое обслуживание силовой газовой турбины 1.The separation of the high-speed compressor 4 from the high-temperature gas turbine combustion chamber 3 of the gas turbine operating independently in the gas distribution station is of fundamental importance for the safe operation of such a plant, since in this case the turboexpander 5 together with the high-speed compressor 4 forms a separate low-temperature unit, completely isolated from high-temperature power gas turbine 1. In this case, the probability of ignition of natural gas is sharply reduced, the operating conditions of the rear of its bearing of a high-speed compressor 3, since it operates at relatively low temperatures, and the repair and preventive maintenance of a power gas turbine 1 is greatly simplified.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007104997/06A RU2338908C1 (en) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | Gas turbine unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007104997/06A RU2338908C1 (en) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | Gas turbine unit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2338908C1 true RU2338908C1 (en) | 2008-11-20 |
Family
ID=40241344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007104997/06A RU2338908C1 (en) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | Gas turbine unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2338908C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541080C1 (en) * | 2013-09-12 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines |
| CN105927491A (en) * | 2016-06-22 | 2016-09-07 | 哈尔滨耦合动力工程技术中心有限公司 | Natural gas pressure-difference power generation and energy cascade utilization coupling system and application method thereof |
| RU176799U1 (en) * | 2016-08-09 | 2018-01-29 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" | GAS DISTRIBUTION STATION WITH A DETANDER-COMPRESSOR GAS TURBINE POWER INSTALLATION |
| RU2679043C1 (en) * | 2016-11-22 | 2019-02-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Regulation system for centrifugal compressor seals |
| RU2707488C2 (en) * | 2014-11-27 | 2019-11-26 | Сафран Хеликоптер Энджинз | Power plant with means of selective connection |
| RU199019U1 (en) * | 2019-12-25 | 2020-08-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный технический университет» | Gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft |
-
2007
- 2007-02-09 RU RU2007104997/06A patent/RU2338908C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541080C1 (en) * | 2013-09-12 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines |
| RU2707488C2 (en) * | 2014-11-27 | 2019-11-26 | Сафран Хеликоптер Энджинз | Power plant with means of selective connection |
| CN105927491A (en) * | 2016-06-22 | 2016-09-07 | 哈尔滨耦合动力工程技术中心有限公司 | Natural gas pressure-difference power generation and energy cascade utilization coupling system and application method thereof |
| CN105927491B (en) * | 2016-06-22 | 2024-02-27 | 南京耦合动力工程技术有限公司 | Natural gas differential pressure power generation and energy cascade utilization coupling system and application method |
| RU176799U1 (en) * | 2016-08-09 | 2018-01-29 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" | GAS DISTRIBUTION STATION WITH A DETANDER-COMPRESSOR GAS TURBINE POWER INSTALLATION |
| RU2679043C1 (en) * | 2016-11-22 | 2019-02-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Regulation system for centrifugal compressor seals |
| RU199019U1 (en) * | 2019-12-25 | 2020-08-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный технический университет» | Gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9410451B2 (en) | Gas turbine engine with integrated bottoming cycle system | |
| US6901759B2 (en) | Method for operating a partially closed, turbocharged gas turbine cycle, and gas turbine system for carrying out the method | |
| RU2338908C1 (en) | Gas turbine unit | |
| RU133250U1 (en) | GAS DISTRIBUTION STATION | |
| US9926934B2 (en) | Arrangement for liquefying natural gas and method for starting said arrangement | |
| US20110016870A1 (en) | Method and apparatus for improved gas turbine efficiency and augmented power output | |
| RU2570296C1 (en) | Regenerative gas turbine expander unit for compressor station | |
| RU2549004C1 (en) | Regenerative gas-turbine expansion unit | |
| RU2369808C2 (en) | Trigeneration gas turbine plant | |
| RU2557834C2 (en) | Gas turbine expansion power plant of gas-distributing station | |
| RU2541080C1 (en) | Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines | |
| RU2650238C1 (en) | Gas distribution station power plant or the gas control unit operation method | |
| RU2599082C1 (en) | Gas turbine expander power plant of compressor station of main gas line | |
| RU126373U1 (en) | STEAM GAS INSTALLATION | |
| KR101996281B1 (en) | Generating Capacity Augmentation System For Power Plant Using Combined Cycle | |
| RU2403407C1 (en) | Steam-gas power plant | |
| RU199019U1 (en) | Gas distribution station with an expander-compressor gas turbine power plant with a split shaft | |
| RU176799U1 (en) | GAS DISTRIBUTION STATION WITH A DETANDER-COMPRESSOR GAS TURBINE POWER INSTALLATION | |
| RU2466285C2 (en) | Steam generating plant | |
| RU2807373C1 (en) | Method of operation of regenerative gas turbine expander power unit of combined heat and power plant and device for its implementation | |
| RU2384720C1 (en) | Gas-espansion machine-electric power station generator plant | |
| RU2545261C2 (en) | Gas turbine plant of raised efficiency | |
| RU2740670C1 (en) | Method of operation of steam-gas plant of power plant | |
| RU2791638C1 (en) | Gas-steam power plant | |
| RU2576556C2 (en) | Compressor station of main gas line with gas turbine expander power plant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100210 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170608 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190210 |