RU2403521C1

RU2403521C1 - System for heating of fuel and buffer gas

Info

Publication number: RU2403521C1
Application number: RU2009121861/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Белоусов (RU); Юрий Васильевич Белоусов; Сергей Иванович Бурдюгов (RU); Сергей Иванович Бурдюгов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газхолодтехника"
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-11-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: system of fuel and buffer gas heating comprises "oil-gas" heat exchanger with feed and drain pipelines of oil and gas, to heat fuel and buffer gas due to heat exchange with compressed natural gas arriving into manifold downstream compressor, and also with oil to be cooled from bearing units of gas-turbine engine and supercharger of gas-pumping machine, system is structurally made of heat exchanging devices connected to each other: two serially connected heat exchangers "gas-gas" and "gas-oil", in the first of which heating coolant is compressed natural gas, in the second one - oil to be cooled, and heated coolant in the first and second heat exchangers is fuel gas, besides the third additional heat exchanger "gas-oil" is connecte serially to the second heat exchanger, and in the third heat exchanger oil to be cooled previously releases part of heat to heated coolant - buffer gas.

EFFECT: invention makes it possible to increase energy-saving, to efficiently and fully recycle heat.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и теплотехники и может найти применение в системах газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов (ГПА).The invention relates to the field of engineering and heat engineering and can find application in systems of gas turbine units of gas pumping units (GPU).

Одна из наиболее важных задач топливно-энергетического комплекса - проведение активной энергосберегающей политики, обеспечивающей достижение необходимого результата при минимальных затратах энергии.One of the most important tasks of the fuel and energy complex is to pursue an active energy-saving policy that ensures the achievement of the desired result with minimal energy costs.

При создании новых и модернизации существующих компрессоров природного газа ставится задача повышения экономичности и увеличения срока их эксплуатации. Необходимость подогрева буферного газа обусловлена эффективной работой системы торцовых газодинамических уплотнений (ТГДУ). Применение системы торцовых газодинамических уплотнений (ТГДУ) и переоборудование масляных нагнетателей на технологию ТГДУ повышает надежность газоперекачивающих агрегатов, снижает затраты на эксплуатацию и ремонт, уменьшает безвозвратные потери масла, позволяет проводить дистанционный мониторинг технического состояния компрессоров, делает возможным переход к безлюдной эксплуатации. Система обеспечения ТГДУ состоит из систем подачи буферного газа и барьерного воздуха. Буферный газ поступает в полость перед первой ступенью ТГДУ и применяется для его защиты от возможных повреждений неочищенным газом. Буферный газ является тем же газом, который перекачивает нагнетатель, только дополнительно очищенным и подогретым. Так как уплотнительный эффект ТГДУ вызывается гидростатическим и гидродинамическим распределением давлений в уплотнительном зазоре, а оптимизация течения буферного газа в полости перед уплотнением позволяет создать требуемый уровень защиты от проникновения перекачиваемого газа в буферную полость, то необходимость подогрева буферного газа обусловливается эксплуатацией агрегатов при низкотемпературных климатических условиях. Подогрев буферного газа в предлагаемой системе происходит за счет теплообмена между ним и горячим маслом из ГПА.When creating new and modernizing existing natural gas compressors, the task is to increase efficiency and increase their service life. The need for heating the buffer gas is due to the effective operation of the system of mechanical gas-dynamic seals (TGDU). The use of mechanical gas-dynamic seal systems (TGDU) and the conversion of oil blowers to the TGDU technology increases the reliability of gas pumping units, reduces operating and repair costs, reduces irretrievable oil losses, allows remote monitoring of the technical condition of compressors, makes it possible to switch to unattended operation. The TGDU support system consists of buffer gas and barrier air supply systems. Buffer gas enters the cavity in front of the first stage of the gas turbine generator and is used to protect it from possible damage by untreated gas. The buffer gas is the same gas that pumps the supercharger, only additionally cleaned and heated. Since the sealing effect of TGDU is caused by hydrostatic and hydrodynamic pressure distribution in the sealing gap, and the optimization of the buffer gas flow in the cavity before sealing allows the required level of protection against the penetration of the pumped gas into the buffer cavity to be created, the necessity of heating the buffer gas is determined by the operation of units under low temperature climatic conditions. Heated buffer gas in the proposed system is due to heat exchange between it and hot oil from the GPU.

Подогретый топливный газ необходим для собственных нужд компрессорной станции (КС). В настоящее время его получают, например, путем обработки в блоках подогревателя и редуцирования общего газа, отобранного из транспортной системы непосредственно до КС (http://frunze.com.ua/html/upimpg.html). Недостатком применения блоков подогревателя топливного газа является наличие промежуточного теплоносителя, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии.Heated fuel gas is necessary for the compressor station's own needs (KS). Currently, it is obtained, for example, by processing in the heater blocks and reducing the total gas taken from the transport system directly to the compressor station (http://frunze.com.ua/html/upimpg.html). The disadvantage of using fuel gas heater blocks is the presence of an intermediate coolant, which leads to additional energy consumption.

Также для подогрева топливного газа, например, в ДОАО «ЦКБН» применяют подогреватели газа автоматические «ГПМ-ПГА» (http://www.gazprommash.ru/production/catalog/pga/). Подогреватели газа автоматические «ГПМ-ПГА» предназначены для подогрева природного, попутного и нефтяного газа, не содержащего агрессивных примесей, и могут эксплуатироваться как в составе станций газораспределительных блочных, так и автономно. Основным недостатком применения такого подогревателя газа является необходимость потребления электроэнергии, причем отсутствует утилизация тепла и большой тепловой потенциал продуктов сгорания при работе «ГПМ-ПГА» просто выбрасывается в атмосферу.Also, for heating fuel gas, for example, in TsKBN DOAO automatic gas heaters “GPM-PGA” are used (http://www.gazprommash.ru/production/catalog/pga/). Automatic gas heaters “GPM-PGA” are intended for heating natural, associated and petroleum gas that does not contain aggressive impurities, and can be operated both as a part of gas distribution block stations and autonomously. The main disadvantage of using such a gas heater is the need for electricity consumption, and there is no heat recovery and a large thermal potential of the combustion products during the operation of GPM-PGA is simply released into the atmosphere.

В то же время для обеспечения стабильной работы газоперекачивающих агрегатов циркулирующее по замкнутому контуру масло необходимо охлаждать и поддерживать его температуру в оптимальных пределах. Известен «Способ регулируемого охлаждения масла и аппарат воздушного охлаждения для осуществления этого способа», патент РФ №2273793, МПК F16N 39/02, дата публикации 10.04.2006 г. Необходимое охлаждение масла в указанном способе проводят путем подачи воздушного потока посредством вентиляторов с регулируемым по частоте электроприводом переменного тока в аппарат воздушного охлаждения. Недостатком применения такого способа является отсутствие утилизации тепла и наличие вентиляторов - дополнительных источников потребления электроэнергии.At the same time, to ensure the stable operation of gas pumping units, the oil circulating in a closed circuit must be cooled and its temperature maintained in optimal limits. The well-known "Method of controlled oil cooling and an air cooling apparatus for implementing this method", RF patent No. 2273793, IPC F16N 39/02, publication date 04/10/2006. The necessary oil cooling in this method is carried out by supplying air flow through fans with adjustable frequency of an electric AC drive to an air-cooled apparatus. The disadvantage of using this method is the lack of heat recovery and the presence of fans - additional sources of energy consumption.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является «Устройство для охлаждения масла газовой турбины и газового нагнетателя», патент РФ №2239099, МПК F04D 29/06, дата публикации 27.10.2004 года, которое имеет в своем составе теплообменник «газ-масло» с подводящим и отводящим трубопроводами масла и газа, первый и второй контуры которого связаны между собой трубопроводом буферной жидкости. Трубопровод, по которому проходит буферная жидкость, снабжен циркуляционным насосом, для работы которого дополнительно необходимы затраты электроэнергии. Система с промежуточным контуром сама по себе представляет сложную конструкцию, в состав которой входит большое количество конструкционных элементов: трубопроводы, задорно-регулирующая арматура, контрольно-измерительные приборы и автоматика, фильтры и т.п. Это неизбежно ведет к дополнительному расходу электроэнергии.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is "Device for cooling oil of a gas turbine and gas supercharger", RF patent No. 2239099, IPC F04D 29/06, publication date 10.27.2004, which includes a gas gas heat exchanger -oil ”with inlet and outlet oil and gas pipelines, the first and second circuits of which are connected by a buffer fluid pipeline. The pipeline through which the buffer fluid passes is equipped with a circulation pump, for the operation of which additional energy costs are required. A system with an intermediate circuit in itself is a complex structure, which includes a large number of structural elements: pipelines, provocatively-regulating valves, instrumentation and automation, filters, etc. This inevitably leads to additional energy consumption.

Техническая задача заявляемого технического решения - энергосбережение и утилизация тепла.The technical task of the proposed technical solution is energy saving and heat recovery.

Технический результат достигается в системе подогрева топливного и буферного газа, имеющей в своем составе теплообменник «газ-масло» с подводящим и отводящим трубопроводами масла и газа, отличающейся тем, что для подогрева топливного и буферного газа за счет теплообмена с компримированным природным газом, поступающим в магистраль после компрессора, а также с подлежащим охлаждению маслом из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата, система конструктивно выполнена из соединенных между собою теплообменных аппаратов: два последовательно соединенных теплообменника «газ-газ» и «газ-масло», в первом из которых греющим теплоносителем выступает компримированный природный газ, во втором - подлежащее охлаждению масло, а нагреваемым теплоносителем в первом и во втором теплообменниках выступает топливный газ, причем ко второму теплообменнику последовательно подключен третий дополнительный теплообменник «газ-масло», в котором подлежащее охлаждению масло предварительно отдает часть тепла нагреваемому теплоносителю - буферному газу.The technical result is achieved in a fuel and buffer gas heating system, comprising a gas-oil heat exchanger with oil and gas inlet and outlet pipelines, characterized in that for heating the fuel and buffer gas through heat exchange with compressed natural gas supplied to the line after the compressor, as well as with the oil to be cooled from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the supercharger of the gas pumping unit, the system is structurally made of connected between the battle of heat exchangers: two gas-gas and gas-oil heat exchangers connected in series, in the first of which compressed natural gas acts as the heating medium, in the second - the oil to be cooled, and fuel gas acts as the heated medium in the first and second heat exchangers moreover, to the second heat exchanger, a third additional gas-oil heat exchanger is connected in series, in which the oil to be cooled preliminarily transfers part of the heat to the heated heat carrier - buffer at the gas.

Такое конструктивное выполнение заявляемой системы позволяет совместить два технологических процесса с помощью теплообмена: подогрев топливного и буферного газа и одновременное охлаждение горячего масла, обеспечивает максимально энергосберегающий подогрев топливного и буферного газа за счет использования тепловой энергии компримированного природного газа, поступающего в магистраль после компрессора, и полнейшей утилизации тепла горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА.Such a constructive implementation of the inventive system allows you to combine two technological processes using heat transfer: heating of fuel and buffer gas and simultaneous cooling of hot oil, provides the most energy-saving heating of fuel and buffer gas through the use of thermal energy of compressed natural gas entering the highway after the compressor, and complete heat recovery of hot oil removed from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the GPU supercharger.

Как правило, топливный газ для собственных нужд компрессорной станции (КС) получают путем обработки в блоках подогревателя и редуцирования общего газа, отобранного из транспортной системы непосредственно до КС. В заявляемой системе вместо блоков подогревателей топливного газа предложено последовательное соединение теплообменников «газ-газ» («компримированный газ - топливный газ») и «газ-масло» («топливный газ - масло»). Последовательное включение этих теплообменников позволяет разогреть топливный газ до технологически необходимых температур. Подключение дополнительного теплообменника «газ-масло», где нагреваемым теплоносителем выступает буферный газ, позволяет не только нагреть буферный газ, но и предварительно утилизировать часть тепла горячего масла, что способствует достижению необходимых температур охлаждения масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА. Тем самым обеспечивается частичная утилизация тепла, выделяющегося при сжатии компримированного газа на выходе из компрессора, и полная утилизация тепла горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата.As a rule, fuel gas for the compressor station’s (CS) auxiliary needs is obtained by processing in the heater blocks and reducing the total gas taken from the transport system directly to the compressor station. In the inventive system, instead of blocks of fuel gas heaters, a series connection of gas-gas heat exchangers (“compressed gas-fuel gas”) and “gas-oil” (“fuel gas-oil”) is proposed. The successive switching on of these heat exchangers allows heating the fuel gas to technologically necessary temperatures. The connection of an additional gas-oil heat exchanger, where the buffer gas acts as the heating medium, allows not only to heat the buffer gas, but also to pre-utilize part of the heat of the hot oil, which helps to achieve the required cooling temperatures of the oil removed from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the gas compressor. This ensures partial utilization of the heat generated during compression of the compressed gas at the outlet of the compressor, and full utilization of the heat of the hot oil removed from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the supercharger of the gas pumping unit.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана схема системы подогрева топливного и буферного газа.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a heating system for fuel and buffer gas.

Система подогрева топливного и буферного газа работает следующим образом.The heating system of fuel and buffer gas operates as follows.

Природный газ поступает в компрессор ГПА, где сжимается, при этом нагреваясь. Далее компримированный природный газ направляется в первый теплообменник 1 «газ-газ», где отдает часть тепла сжатия поступающему туда же топливному газу. В виду большого расхода компримированного природного газа его температура на выходе из теплообменника практически не изменяется, а температура топливного газа на первой стадии подогрева повышается существенно: примерно от минус 20°C до плюс 35°C.Natural gas enters the GPA compressor, where it is compressed, while heating. Then, the compressed natural gas is sent to the first gas-gas heat exchanger 1, where it gives up part of the compression heat to the fuel gas supplied there. Due to the high consumption of compressed natural gas, its temperature at the outlet of the heat exchanger practically does not change, and the temperature of the fuel gas at the first stage of heating rises significantly: from about minus 20 ° C to plus 35 ° C.

Одновременно горячее масло, отводимое из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата 4, подается в третий дополнительный теплообменник «газ-масло» 3, где нагревает буферный газ до технологически необходимых температур (от +30°С до +80°С).At the same time, the hot oil discharged from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the supercharger of the gas pumping unit 4 is supplied to the third additional gas-oil heat exchanger 3, where it heats the buffer gas to technologically necessary temperatures (from + 30 ° С to + 80 ° С).

Предварительно подогретый топливный газ после первого теплообменника «газ-газ» 1 поступает во второй теплообменник «газ-масло» 2, где происходит его окончательный нагрев (от +35°С до +60°C) горячим маслом, которое поступает в этот теплообменник после подогрева буферного газа. Тем самым температура масла понижается от +105°С при входе в дополнительный теплообменник «газ-масло» 3 до +50°С при выходе из второго теплообменника «газ-масло» 2, что приводит к утилизации 94,2 кВт тепловой мощности на подогрев топливного и буферного газа.The pre-heated fuel gas after the first gas-gas heat exchanger 1 enters the second gas-oil heat exchanger 2, where it is finally heated (from + 35 ° C to + 60 ° C) with hot oil, which enters this heat exchanger after buffer gas heating. Thus, the oil temperature decreases from + 105 ° C when entering the additional gas-oil heat exchanger 3 to + 50 ° C when leaving the second gas-oil heat exchanger 2, which leads to the utilization of 94.2 kW of heating power for heating fuel and buffer gas.

Применение в заявляемой системе последовательного включения двух теплообменников, обеспечивающих подогрев топливного газа не только компримированным природным газом, но и горячим маслом, отводимым из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА, и одновременное подключение дополнительного теплообменника, отводящего часть тепла горячего масла на подогрев буферного газа, дает возможность только за счет теплообмена достигнуть технологически необходимых температур подогрева топливного и буферного газа и охлаждения горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА, исключив применение каких-либо дополнительных источников энергии, что позволяет реализовать эффект энергосбережения. Так же заявляемая система позволяет исключить дополнительные источники потребления энергии, например, вентиляторы и аппараты воздушного охлаждения масла, при охлаждении масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинных двигателей ГПА, обеспечивая при этом необходимые температуры охлаждения масла и полную утилизацию его тепла.The use in the inventive system of the series connection of two heat exchangers providing heating of the fuel gas not only with compressed natural gas, but also with hot oil discharged from the bearing assemblies of the gas turbine engine and the GPA supercharger, and simultaneously connecting an additional heat exchanger that takes part of the heat of the hot oil to heat the buffer gas, makes it possible only through heat exchange to achieve technologically necessary temperatures for heating the fuel and buffer gas and cooling hot oil discharged from the bearing assemblies of the gas turbine engine and GPA supercharger, eliminating the use of any additional energy sources, which allows to realize the effect of energy saving. Also, the inventive system eliminates additional sources of energy consumption, for example, fans and air-cooled oil coolers, while cooling the oil discharged from the bearing assemblies of the gas turbine engines, while ensuring the necessary oil cooling temperatures and the complete utilization of its heat.

Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет существенно повысить энергосбережение, эффективно и полностью утилизировать тепло.Thus, the use of the proposed technical solution can significantly increase energy saving, efficiently and completely utilize heat.

Опытный образец заявляемой системы успешно прошел испытания и готовится к поставке заказчику для дальнейших испытаний в составе газотурбинного двигателя.A prototype of the claimed system has been successfully tested and is being prepared for delivery to the customer for further testing as part of a gas turbine engine.

Claims

The fuel and buffer gas heating system, comprising a gas-oil heat exchanger with oil and gas inlet and outlet pipelines, characterized in that for heating the fuel and buffer gas due to heat exchange with compressed natural gas entering the pipeline after the compressor, and also with the oil to be cooled from the bearing units of the gas turbine engine and the supercharger of the gas-pumping unit, the system is structurally made of interconnected heat exchangers: two gas-gas and gas-oil heat exchanger connected, in the first of which compressed natural gas acts as the heating medium, in the second - the oil to be cooled, and fuel gas acts as the heated medium in the first and second heat exchangers, and to the second heat exchanger a third additional gas-oil heat exchanger is connected in series, in which the oil to be cooled preliminarily transfers part of the heat to the heat-transferring medium - buffer gas.