RU2727945C1 - Turbine expander power plant - Google Patents

Turbine expander power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2727945C1
RU2727945C1 RU2019141058A RU2019141058A RU2727945C1 RU 2727945 C1 RU2727945 C1 RU 2727945C1 RU 2019141058 A RU2019141058 A RU 2019141058A RU 2019141058 A RU2019141058 A RU 2019141058A RU 2727945 C1 RU2727945 C1 RU 2727945C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stage
gas
turbine
machine
turboexpander
Prior art date
Application number
RU2019141058A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Игнатьевич Гуров
Салават Зайнетдинович Имаев
Алексей Дмитриевич Непомнящий
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Аэрогаз"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Аэрогаз" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Аэрогаз"
Priority to RU2019141058A priority Critical patent/RU2727945C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727945C1 publication Critical patent/RU2727945C1/en
Priority to PCT/RU2020/000470 priority patent/WO2021118398A1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/10—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines having two or more stages subjected to working-fluid flow without essential intermediate pressure change, i.e. with velocity stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

FIELD: gas supply.SUBSTANCE: invention can be used in gas supply for utilization of compressed natural gas flow energy, simultaneous production of mechanical energy and cold resource. Turbine expander power plant (TEPP) comprises a turbine expander connected to a source of high-pressure gas at the inlet and a low-pressure gas consumer at the outlet. TE is made in the form of three-stage blade axial machine with partial nozzle device. Shutter is installed at output of TE. Impellers of each stage of TE have zero or close to zero degree of reactivity. Height of impeller blades of the first stage does not exceed 0.02 m, and circumferential speed of rotation of the working shaft does not exceed 7 m/s. As supports for the working shaft rolling bearings are used.EFFECT: technical result is reduction of internal leaks of reduced gas, in flow part of blade machine and in shaft seals.3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к турбодетандерам и может быть использована в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа, одновременного получения механической энергии и хладоресурса.The invention relates to the field of power engineering, in particular to turboexpanders and can be used in the field of gas supply to utilize the energy of a stream of compressed natural gas, while simultaneously obtaining mechanical energy and cooling resources.

Известна турбодетандерная энергетическая установка (патент РФ № 185177), содержащей турбодетандер, соединенный с магистральным трубопроводом, блок управления. На входе турбодетандера установлен дроссель с возможностью изменения диаметра проходного сечения.Known turboexpander power plant (RF patent No. 185177), containing a turboexpander connected to the main pipeline, a control unit. At the inlet of the turboexpander, a throttle is installed with the ability to change the diameter of the flow section.

Недостатком установки является выполнение регулирующего устройства на входе в турбодетандер в виде дросселя для изменения диаметра проходного сечения. Такое выполнение регулирующего устройства увеличивает утечки газа и соответственно снижает кпд установки в целом.The disadvantage of the installation is the implementation of the regulating device at the entrance to the turboexpander in the form of a throttle to change the diameter of the flow area. Such a design of the regulating device increases gas leaks and, accordingly, reduces the efficiency of the installation as a whole.

Известна установка (патент РФ №2005897) для работы на природном газе в которой турбодетандер, подсоединенный механически к электрогенератору и к воздушному компрессору, газодинамически через газо-воздушный теплообменник связан с воздушным компрессором. Поддержание требуемых значений температуры и давления природного газа в выходной магистрали осуществляется с помощью регулируемого соплового аппарата и органа регулирования перепускной магистрали. Мощность, вырабатываемая турбодетандером , сообщается потребителю и воздушному компрессору. В результате воздух после компрессора и теплообменника поступает в воздушную магистраль, где разделяется на два потока. После воздушного турбодетандера воздух снижает свою температуру и в итоге потребитель получает два потока холодного и горячего воздуха, а также свободную механическую энергию за счет энергии редуцируемого давления природного газа.A known installation (RF patent No. 2005897) for operation on natural gas in which a turbo expander, mechanically connected to an electric generator and to an air compressor, is gas-dynamically connected through a gas-air heat exchanger to an air compressor. Maintaining the required values of temperature and pressure of natural gas in the outlet line is carried out using an adjustable nozzle and a bypass line regulator. The power generated by the turbo expander is communicated to the consumer and the air compressor. As a result, the air after the compressor and the heat exchanger enters the air line, where it is divided into two streams. After the air turbo expander, the air decreases its temperature and, as a result, the consumer receives two streams of cold and hot air, as well as free mechanical energy due to the energy of the reduced pressure of natural gas.

Недостатком установки является ее низкая надежность работы из- за возможности смешения в газовоздушном тракте природного газа и воздуха с образованием гремучей смеси. Кроме того, использование регулируемых сопловых аппаратов ТД при поддержании постоянства мощности приводит к неизбежным утечкам природного газа.The disadvantage of the installation is its low reliability of operation due to the possibility of mixing natural gas and air in the gas-air duct with the formation of an explosive mixture. In addition, the use of adjustable TD nozzles while maintaining a constant power leads to inevitable natural gas leaks.

Известны другие технические решения (см. патенты РФ № 2013615, № 2264581, № 2317430, № 2386818) в которых реализованы различные подходы к повышению эффективности редуцирования давления газа с одновременным поддержанием заданного уровня мощности установки.Other technical solutions are known (see RF patents No. 2013615, No. 2264581, No. 2317430, No. 2386818) in which various approaches are implemented to improve the efficiency of reducing gas pressure while maintaining a given power level of the installation.

Наиболее близким техническим решением является турбодетандерная энергетическая установка, предназначенная для одновременного получения механической энергии и хладоресурса, содержащая турбодетандер, подключенный к источнику газа высокого давления на входе и потребителю газа низкого давления на выходе и регулирующее устройство, выполненное в виде парциального соплового аппарата (патент РФ № 2386818).The closest technical solution is a turboexpander power plant designed for the simultaneous production of mechanical energy and refrigeration, containing a turboexpander connected to a high-pressure gas source at the inlet and a low-pressure gas consumer at the outlet and a regulating device made in the form of a partial nozzle apparatus (RF patent No. 2386818).

В указанном техническом решении задача исключения энергетических потерь, возникающих за счет утечек газа во внешнюю среду решается кардинальным образом за счет размещения установки в герметичной капсуле. Редуцируемый газ, проникающий через зазоры и неплотности тракта лопаточной машины аккумулируется в полости герметичной капсулы и затем утилизируется. Вместе с тем, внутренние утечки, в частности утечки через радиальный зазор, ухудшающие кпд лопаточной машины, остались на прежнем уровне. Кроме того, размещение установки в герметичной капсуле возможно лишь для установок небольшой мощности – до 600 кВт. Для установок больших мощностей необходимы другие технические решения.In the specified technical solution, the problem of eliminating energy losses arising from gas leaks into the external environment is solved radically by placing the installation in a sealed capsule. Reduced gas penetrating through the gaps and leaks in the path of the vane machine is accumulated in the cavity of the sealed capsule and then utilized. At the same time, internal leaks, in particular leaks through the radial clearance, which worsen the efficiency of the vane machine, remained at the same level. In addition, the installation of the unit in a sealed capsule is possible only for units of small power - up to 600 kW. For installations with a large capacity, other technical solutions are required.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при реализации заявленного технического решения, заключается в повышении кпд турбодетандерной энергетической установки. Причем предлагаемое техническое решение применимо для установок различной мощности. The technical problem, the solution of which is provided by the implementation of the claimed technical solution, is to increase the efficiency of the turboexpander power plant. Moreover, the proposed technical solution is applicable for installations of various capacities.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением – уменьшение внутренних утечек редуцируемого газа, в проточной части лопаточной машины и в уплотнениях вала.The technical result provided by the invention is the reduction of internal leaks of the reduced gas in the flow path of the blade machine and in the shaft seals.

Заявленный технический результат достигается тем, что в турбодетандерной энергетической установке, предназначенной для одновременного получения механической энергии и хладоресурса, содержащей турбодетандер, подключенный к источнику газа высокого давления на входе и потребителю газа низкого давления на выходе, где в качестве турбодетандера используется лопаточная осевая машина с устройством для регулирования парциальности в виде парциального соплового аппарата, отличающаяся тем, что лопаточная осевая машина выполнена трехступенчатой, каждая ступень которой снабжена парциальным сопловым аппаратом, выполненного с возможностью регулирования степени парциальности каждой ступени, рабочие колеса каждой ступени имеют нулевую или близкую к нулевой степень реактивности, высота лопаток рабочего колеса первой ступени не превышает 0,02 м, а окружная скорость вращения рабочего вала не превышает 7 м/с, причем в качестве опор для рабочего вала использованы подшипники качения.The claimed technical result is achieved by the fact that in a turboexpander power plant designed for the simultaneous production of mechanical energy and a cooling resource, containing a turboexpander connected to a high-pressure gas source at the inlet and a low-pressure gas consumer at the outlet, where an axial blade machine with a device is used as a turboexpander. to regulate the partiality in the form of a partial nozzle apparatus, characterized in that the blade axial machine is three-stage, each stage of which is equipped with a partial nozzle apparatus made with the possibility of adjusting the degree of partiality of each stage, the impellers of each stage have a zero or close to zero degree of reactivity, height of the first stage impeller blades does not exceed 0.02 m, and the circumferential speed of rotation of the working shaft does not exceed 7 m / s, and rolling bearings are used as supports for the working shaft.

Вся совокупность признаков представляет собой совокупность существенных признаков, поскольку каждый из признаков в отдельности и все они в совокупности работают на достижение заявленного технического результата.The entire set of features is a set of essential features, since each of the features individually and all of them together work to achieve the claimed technical result.

Так, выполнение лопаточной машины состоящей из трех ступеней обеспечивает оптимальную, с точки зрения величины утечек газа через радиальный зазор, степень понижения давления в каждой ступени.Thus, the implementation of the vane machine consisting of three stages provides an optimal, in terms of the amount of gas leaks through the radial clearance, the degree of pressure reduction in each stage.

Наличие парциального соплового аппарата в составе каждой ступени обеспечивает формирование оптимальных параметров потока по скорости и характеру течения в каналах проточной части, позволяет уменьшить утечки через радиальный зазор и между ступенями лопаточной машины.The presence of a partial nozzle apparatus in the composition of each stage ensures the formation of optimal flow parameters in terms of the speed and nature of the flow in the channels of the flow path, and makes it possible to reduce leaks through the radial gap and between the stages of the blade machine.

Выполнение рабочих колес каждой ступени с нулевой или близкой к нулевой степенью реактивности снижает перепад давления между корытом и спинкой лопатки рабочего колеса, что благотворно сказывается на величине утечек.Implementation of impellers of each stage with a zero or close to zero degree of reactivity reduces the pressure drop between the trough and the back of the impeller blade, which has a beneficial effect on the amount of leakage.

Выполнение рабочего колеса с высотой лопатки не более 0,02 м, и обеспечение окружной скорости вращения рабочего вала не более 7 м/с, позволяет сконструировать рабочее колесо, которое обеспечивает получение минимального радиального зазора, т.к. рабочие деформации в таком случае (удлинение лопатки, вибрационные перемещения и пр.) оказывают очень незначительное влияние на изменение радиального зазора.Implementation of the impeller with a blade height of not more than 0.02 m, and ensuring the circumferential speed of rotation of the working shaft not more than 7 m / s, allows to design an impeller that provides a minimum radial clearance, since working deformations in this case (blade elongation, vibration displacements, etc.) have very little effect on the change in the radial clearance.

Кроме того, ограничение окружной скорости вращения рабочего колеса позволяет использовать подшипники качения, что в свою очередь уменьшает радиальные перемещения вращающегося вала и позволяет оптимизировать величину радиального зазора. Низкая окружная скорость вращения вала, установленного в подшипники качения дает возможность уменьшить зазоры между валом и корпусом и использовать, например, набивные уплотнения, что позволит дополнительно уменьшить величину утечек.In addition, limiting the peripheral speed of rotation of the impeller allows the use of rolling bearings, which in turn reduces the radial movement of the rotating shaft and allows you to optimize the value of the radial clearance. The low peripheral speed of rotation of the shaft installed in rolling bearings makes it possible to reduce the clearances between the shaft and the housing and use, for example, packed seals, which will further reduce the amount of leakage.

Совокупность существенных признаков может иметь развитие.A set of essential features can develop.

Установка может быть выполнена так, что устройство для регулирования парциальности может быть дополнительно снабжено заслонкой, размещенной на выходе, по меньшей мере, одной ступени лопаточной машины. Возможность регулировать степень расширения посредством изменения противодавления на выходе ступени лопаточной машины расширяет рабочий диапазон, в котором обеспечивается минимальный уровень утечек газа. The installation can be made in such a way that the device for regulating the partiality can be additionally equipped with a damper located at the outlet of at least one stage of the blade machine. The ability to adjust the expansion ratio by changing the back pressure at the outlet of the vane stage expands the operating range in which the minimum level of gas leakage is ensured.

Кроме того, установка может содержать осушитель газа, размещенный между источником газа высокого давления и входом лопаточной машины. Наличие осушителя газа также позволяет расширить рабочий диапазон, в котором обеспечивается минимальный уровень утечек газа, т.к. позволяет изменять степень понижения давления без опасности выхода на критические температуры редуцируемого газа, при которых возможно обледенение проточной части лопаточной машины.In addition, the installation may include a gas dryer located between the high pressure gas source and the inlet of the vane machine. The presence of a gas dryer also allows you to expand the operating range in which the minimum level of gas leaks is ensured, because allows you to change the degree of pressure reduction without the danger of reaching critical temperatures of the reduced gas, at which icing of the flow path of the blade machine is possible.

Далее изобретение подробно раскрывается со ссылкой на иллюстративные материалы, где на фиг. 1 приведена схема турбодетандера с парциальным сопловым устройством, а на фиг. 2 приведен график, отражающий зависимость снижения КПД ступени Δη вследствие наличия утечек в радиальном зазоре от степени реактивности ступени (по отношению к снижению КПД ступени с нулевой реактивностью Δη0)The invention is further disclosed in detail with reference to illustrative materials, where in FIG. 1 shows a diagram of a turboexpander with a partial nozzle device, and FIG. 2 shows a graph reflecting the dependence of the decrease in the efficiency of the stage Δη due to the presence of leaks in the radial clearance on the degree of reactivity of the stage (in relation to the decrease in the efficiency of the stage with zero reactivity Δη 0 )

На чертежах обозначены следующие элементы:The following elements are indicated in the drawings:

1 – турбина .1 - turbine.

2 – парциальный сопловой аппарат.2 - partial nozzle apparatus.

3 –регулировочная заслонка.3 - adjusting flap.

4 – поворотный механизм регулировочной заслонки.4 - rotary mechanism of the adjusting flap.

5 – регулируемый дроссель (заслонка).5 - adjustable throttle (damper).

6 – левая опора.6 - left support.

7 – левая стойка.7 - left pillar.

8 – правая опора.8 - right support.

9 – правая стойка.9 - right pillar.

Турбодетандерная энергетическая установка предназначена для одновременного получения механической энергии и хладоресурса Установка содержит турбодетандер (фиг. 1), подключенный к источнику газа высокого давления на входе и потребителю газа низкого давления на выходе (на фиг. 1 не показаны). В качестве турбодетандера используется трехступенчатая лопаточная осевая машина (условно обозначенная на фиг. 1 как турбина 1) с устройством для регулирования парциальности в виде парциального соплового аппарата 2.The turboexpander power plant is designed to simultaneously obtain mechanical energy and refrigeration. The unit contains a turboexpander (Fig. 1) connected to a high-pressure gas source at the inlet and a low-pressure gas consumer at the outlet (not shown in Fig. 1). A three-stage vane axial machine (conventionally designated in Fig. 1 as turbine 1) with a device for controlling the partiality in the form of a partial nozzle apparatus 2 is used as a turboexpander.

Каждая ступень лопаточной осевой машины (турбины 1) снабжена парциальным сопловым аппаратом 2, выполненным с возможностью регулирования степени парциальности каждой ступени. Рабочие колеса каждой ступени имеют нулевую или близкую к нулевой степень реактивности, а профили каждые по своему назначению всех сопловых аппаратов и рабочих колес выполнены одинаковыми. При этом, высота лопаток рабочего колеса первой ступени не превышает 0,02 м, а окружная скорость вращения рабочего вала не превышает 7 м/с. В качестве опор для рабочего вала использованы подшипники качения, а в качестве наружных уплотнений рабочего вала использованы уплотнения, исключающие протечки газа.Each stage of the vane axial machine (turbine 1) is equipped with a partial nozzle apparatus 2, made with the possibility of adjusting the degree of partiality of each stage. The impellers of each stage have a zero or close to zero degree of reactivity, and the profiles each, according to their purpose, of all nozzles and impellers are made the same. In this case, the height of the first stage impeller blades does not exceed 0.02 m, and the circumferential speed of rotation of the working shaft does not exceed 7 m / s. Rolling bearings are used as supports for the working shaft, and seals that exclude gas leaks are used as external seals for the working shaft.

В приведенной на фиг. 1 схеме турбодетандера показан ротор турбины 1 барабанно-дискового типа, размещенный в двух опорах: левой опоре 6 и правой опоре 8 с подшипниками качения. Опоры 6 и 8 соединяются с внешним корпусом турбины через стойки: левую стойку 7 и правую стойку 9. Левая опора 6 ротора содержит роликовый подшипник, правая опора 8 ротора – шариковый упорный подшипник. Подшипники опор 6 и 8 выполнены с закладной (не циркуляционной) смазкой.In the example shown in FIG. 1 diagram of a turbo expander shows the rotor of the turbine 1 of the drum-disk type, placed in two supports: the left support 6 and the right support 8 with rolling bearings. Supports 6 and 8 are connected to the outer casing of the turbine through the posts: the left post 7 and the right post 9. The left rotor support 6 contains a roller bearing, the right rotor support 8 is a ball thrust bearing. Bearings of bearings 6 and 8 are made with embedded (non-circulating) lubrication.

В полости между левой стойкой 7 и ротором турбины 1 установлен электродвигатель (не показан), закрепленный на левой опоре 6 , с поворотным механизмом 4. Поворотный механизм 4 предназначен для обеспечения поворота и фиксации в окружном направлении регулировочной заслонки 3. Коммуникации для электропитания и управления электродвигателя поворотного механизма 4 проходят через левую стойку 7 турбины 1.In the cavity between the left column 7 and the turbine rotor 1, an electric motor (not shown) is installed, fixed on the left support 6, with a rotary mechanism 4. The rotary mechanism 4 is designed to provide rotation and fixation in the circumferential direction of the control flap 3. Communications for power supply and control of the electric motor of the rotary mechanism 4 pass through the left column 7 of the turbine 1.

Все три сопловых аппарата турбины 1 выполнены парциальными. Межлопаточные каналы сопловых аппаратов могут быть выточены в цельной кольцевой заготовке. Регулировочная заслонка 3 предназначена для изменения степени парциальности турбины (сопловых аппаратов) путем перекрытия части каналов трех сопловых аппаратов при ее повороте на заданный угол и фиксации в данном положении. Степень парциальности сопловых аппаратов может меняться одновременно и одинаково для каждой ступени лопаточной машины турбодетандера. Возможен вариант регулирования при котором степень парциальности по ступеням устанавливается различной.All three nozzle assemblies of turbine 1 are partial. The interblade channels of the nozzles can be machined into a one-piece annular blank. The adjusting flap 3 is designed to change the degree of partiality of the turbine (nozzle devices) by overlapping part of the channels of the three nozzle devices when it is rotated at a given angle and fixed in this position. The degree of partiality of the nozzle apparatus can be changed simultaneously and equally for each stage of the turbine expander blade machine. A control option is possible in which the degree of partiality in steps is set differently.

Силовой элемент регулировочной заслонки 3, от которого отходят зубцы регулировочной заслонки (см. сечение А-А фиг. 1) для перекрытия части межлопаточных каналов сопловых аппаратов, расположен в промежуточном корпусе турбины, над сопловыми аппаратами. The power element of the control flap 3, from which the teeth of the control flap (see section A-A in Fig. 1) to overlap a part of the interscapular channels of the nozzle devices, is located in the intermediate housing of the turbine, above the nozzle devices.

Внутренняя полость, расположенная за турбиной 1, между ротором и правой стойкой 9, используется в качестве думисной/разгрузочной полости с целью поддержания остаточной величины осевой силы, действующей на правую опору 8, вблизи нулевого значения. The inner cavity located behind the turbine 1, between the rotor and the right strut 9, is used as a dumis / unloading cavity in order to maintain the residual value of the axial force acting on the right support 8 close to zero.

Регулирование осевой силы может осуществляться за счет отбора небольшого количества газа перед турбиной и его подвода в думисную полость через коммуникации, расположенные в правой стойке 9. Газ, используемый в думисной полости для разгрузки осевой силы, выбрасывается за турбину 1 через каналы, расположенные вблизи внешнего корпуса шарикового упорного подшипника, отводя тепло от правой опоры 8. Отвод тепла от внешнего корпуса роликового подшипника левой опоры 6 осуществляется газом, частично отведенным с входа турбины 1 через коммуникации, расположенные в левой стойке 7. Охладивший левую опору 6 газ, выбрасывается в проточную часть турбины 1 через осевой зазор первой ступени (между сопловым аппаратом и рабочим колесом).The axial force can be controlled by taking a small amount of gas in front of the turbine and supplying it to the dumis cavity through the communications located in the right pillar 9. The gas used in the dumis cavity to unload the axial force is discharged behind the turbine 1 through channels located near the outer casing ball thrust bearing, removing heat from the right support 8. Heat removal from the outer housing of the roller bearing of the left support 6 is carried out by gas partially removed from the inlet of the turbine 1 through the communications located in the left support 7. The gas that cooled the left support 6 is emitted into the turbine flow path 1 through the axial clearance of the first stage (between the nozzle and the impeller).

Газ, использованный для охлаждения опор 6 и 8 может быть использован также для подогрева газа на входе в турбину 1 путем его подмешивания. Также нагретый газ может быть направлен на обогрев регулируемого дросселя 5 ( в случае необходимости).The gas used to cool the supports 6 and 8 can also be used to heat the gas at the inlet to the turbine 1 by mixing it. Also, the heated gas can be directed to heat the regulated throttle 5 (if necessary).

Величина радиального зазора в 1% высоты лопатки приводит к снижению КПД ступени, примерно, на 1,5 – 2,0%. В рассматриваемой турбине, величина снижения КПД, вследствие наличия радиального зазора, может составить, примерно, 4,0 – 5,0%.The value of the radial clearance of 1% of the blade height leads to a decrease in the efficiency of the stage by approximately 1.5 - 2.0%. In the considered turbine, the amount of efficiency decrease due to the presence of a radial clearance can be approximately 4.0 - 5.0%.

Трехступенчатый турбодетандер обеспечивает оптимальную, с точки зрения величины утечек газа через радиальный зазор, степень понижения давления в каждой ступени.The three-stage turboexpander provides the optimum, in terms of the amount of gas leaks through the radial clearance, the degree of pressure reduction in each stage.

Наличие парциального соплового аппарата 2 в составе каждой ступени обеспечивает формирование оптимальных параметров потока по скорости и характеру течения в каналах проточной части, позволяет уменьшить утечки через радиальный зазор и между ступенями лопаточной машины.The presence of a partial nozzle apparatus 2 in the composition of each stage ensures the formation of optimal flow parameters in terms of the speed and nature of the flow in the channels of the flow path, and makes it possible to reduce leaks through the radial gap and between the steps of the blade machine.

Выполнение рабочих колес каждой ступени с нулевой или близкой к нулевой степенью реактивности приводит к уменьшению перепада давлений между спинкой и корытом рабочих лопаточных венцов, что уменьшает перетекания газа через радиальный зазор.Execution of impellers of each stage with a zero or close to zero degree of reactivity leads to a decrease in the pressure difference between the backrest and the trough of the working blade rows, which reduces the flow of gas through the radial clearance.

Увеличение степени реактивности ступеней турбины приводит к увеличению влияния потерь от перетекания газа в радиальном зазоре на их КПД. На фиг. 2 приведена зависимость снижения КПД ступени Δη вследствие наличия потерь от перетекания газа в радиальном зазоре от степени реактивности (по отношению к снижению КПД ступени с нулевой реактивностью Δη0).An increase in the degree of reactivity of turbine stages leads to an increase in the influence of losses from gas overflow in the radial gap on their efficiency. FIG. 2 shows the dependence of the decrease in the efficiency of the stage Δη due to the presence of losses from gas overflow in the radial gap on the degree of reactivity (in relation to the decrease in the efficiency of the stage with zero reactivity Δη 0 ).

Выполнение рабочего колеса с высотой лопатки не более 0,02 м, и обеспечение окружной скорости вращения рабочего вала не более 7 м/с, позволяет сконструировать рабочее колесо, которое обеспечивает получение минимального радиального зазора, т.к. рабочие деформации в таком случае (удлинение лопатки, вибрационные перемещения и пр.) оказывают очень незначительное влияние на изменение радиального зазора.Implementation of the impeller with a blade height of not more than 0.02 m, and ensuring the circumferential speed of rotation of the working shaft not more than 7 m / s, allows to design an impeller that provides a minimum radial clearance, since working deformations in this case (blade elongation, vibration displacements, etc.) have very little effect on the change in the radial clearance.

Кроме того, ограничение окружной скорости вращения рабочего колеса позволяет использовать подшипники качения, что в свою очередь уменьшает радиальные перемещения вращающегося вала и позволяет оптимизировать величину радиального зазора. Низкая окружная скорость вращения вала, установленного в подшипники качения дает возможность уменьшить зазоры между валом и корпусом и использовать, например, набивные уплотнения, что позволит дополнительно уменьшить величину утечек.In addition, limiting the peripheral speed of rotation of the impeller allows the use of rolling bearings, which in turn reduces the radial movement of the rotating shaft and allows you to optimize the value of the radial clearance. The low peripheral speed of rotation of the shaft installed in rolling bearings makes it possible to reduce the clearances between the shaft and the housing and use, for example, packed seals, which will further reduce the amount of leakage.

Нулевая степень реактивности ступеней также способствует уменьшению осевой силы, действующей на шариковый опорный подшипник турбины 1, практически, до нулевой величины.The zero degree of reactivity of the stages also helps to reduce the axial force acting on the ball bearing of the turbine 1, almost to zero.

Предложенная установка работает следующим образом.The proposed setup works as follows.

Установка монтируется в линии байпаса/перепуска к газовым трубопроводам и отсекается входной и выходной задвижками от газовых трубопроводов (на фиг. 1 не показано).The installation is mounted in the bypass / bypass line to the gas pipelines and is cut off by the inlet and outlet valves from the gas pipelines (not shown in Fig. 1).

Для запуска установки открывают вначале выходную задвижку, выравнивая давление в проточной части турбины 1 и турбинных патрубках до входной задвижки. Затем приоткрывают входную задвижку, контролируя увеличение частоты вращения ротора турбины 1 и степени расширения в турбине.To start the installation, the outlet valve is first opened, equalizing the pressure in the flow path of the turbine 1 and the turbine nozzles up to the inlet valve. Then the inlet valve is slightly opened, controlling the increase in the rotor speed of the turbine 1 and the expansion ratio in the turbine.

При увеличении оборотов ротора, турбина начинает отбирать тепловую мощность от газового потока, понижая его температуру и давление, преобразуя ее в механическую мощность на валу установки. Механическая мощность турбины передается через вал на вращение генератора с целью выработки электроэнергии.With an increase in rotor speed, the turbine begins to take heat power from the gas flow, lowering its temperature and pressure, converting it into mechanical power on the unit shaft. The mechanical power of the turbine is transmitted through the shaft to rotate the generator to generate electricity.

Регулируемый дроссель (заслонка) 5, установленный на выходе из турбины1, служит для изменения степени расширения в турбине (а также мощности турбины). Регулировка степени парциальности сопловых аппаратов при заданной степени расширения необходима для изменения расхода газа, проходящего через турбину в широком диапазоне его изменения.An adjustable throttle (damper) 5, installed at the outlet of the turbine 1, serves to change the expansion ratio in the turbine (as well as the turbine power). Adjustment of the degree of partiality of the nozzle apparatus at a given degree of expansion is necessary to change the flow rate of the gas passing through the turbine in a wide range of its variation.

Изменение степени расширения в турбине и степени парциальности сопловых аппаратов позволяют варьировать режим работы турбины (а также ее мощность) в широком диапазоне.Changing the degree of expansion in the turbine and the degree of partiality of the nozzle assemblies make it possible to vary the operating mode of the turbine (as well as its power) over a wide range.

Представленные особенности выполнения проточной части турбодетандера позволяют максимально минимизировать в ней все виды потерь при течении газа с получением приемлемого значения кпд, в том числе при изменении степени парциальности при необходимости поддержания стабильной мощности энергосистемы. Выбранный уровень числа оборотов позволяет при мощности турбодетандера менее 4,5 МВт достичь окружной скорости вала ниже 5 м/с, что оправдывает использование консистентной смазки и набивной или сальниковой системы уплотнения вала с применением современных полимерных материалов, полностью исключая утечки газа в атмосферу с повышением тем самым эффективности системы. Низкая частота вращения также обеспечивает снижение величины утечек, т.к. это позволяет уменьшить радиальные зазоры в проточной части за счет фактического устранения вытягивания рабочих лопаток (уменьшения колебаний размеров лопаток), установить вал в подшипники качения и за счет этого уменьшить колебания вала в опорах, соответственно уменьшить зазоры в проточной части, уменьшить зазоры в уплотнениях вала. The presented features of the execution of the flow path of the turboexpander make it possible to minimize all types of losses in it during the gas flow with obtaining an acceptable efficiency value, including when changing the degree of partiality if it is necessary to maintain a stable power of the power system. The selected speed level allows, with a turboexpander power of less than 4.5 MW, to achieve a circumferential shaft speed below 5 m / s, which justifies the use of grease and a rammed or stuffing box shaft sealing system using modern polymer materials, completely eliminating gas leaks into the atmosphere with an increase in the most efficient system. Low rpm also results in less leakage as this makes it possible to reduce the radial clearances in the flow path due to the actual elimination of the stretching of the rotor blades (reduction of fluctuations in the size of the blades), to install the shaft in the rolling bearings and thereby reduce the vibration of the shaft in the bearings, respectively, to reduce the clearances in the flow path, to reduce the clearances in the shaft seals.

Claims (3)

1. Турбодетандерная энергетическая установка, предназначенная для одновременного получения механической энергии и хладоресурса, содержащая турбодетандер, подключенный к источнику газа высокого давления на входе и потребителю газа низкого давления на выходе, где турбодетандер выполнен в виде лопаточной осевой машины с устройством для регулирования парциальности в виде парциального соплового аппарата, отличающаяся тем, что лопаточная осевая машина выполнена трехступенчатой, каждая ступень которой снабжена парциальным сопловым аппаратом, выполненным с возможностью регулирования степени парциальности каждой ступени, рабочие колеса каждой ступени имеют нулевую или близкую к нулевой степень реактивности, высота лопаток рабочего колеса первой ступени не превышает 0,02 м, а окружная скорость вращения рабочего вала не превышает 7 м/с, причем в качестве опор для рабочего вала использованы подшипники качения.1. A turboexpander power plant designed for the simultaneous production of mechanical energy and cooling resources, containing a turboexpander connected to a high-pressure gas source at the inlet and a low-pressure gas consumer at the outlet, where the turboexpander is made in the form of a blade axial machine with a device for controlling the partiality in the form of a partial nozzle apparatus, characterized in that the axial bladed machine is three-stage, each stage of which is equipped with a partial nozzle apparatus made with the possibility of adjusting the degree of partiality of each stage, the impellers of each stage have a zero or close to zero degree of reactivity, the height of the blades of the first-stage impeller is not exceeds 0.02 m, and the peripheral speed of rotation of the working shaft does not exceed 7 m / s, and rolling bearings are used as supports for the working shaft. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что устройство для регулирования парциальности дополнительно снабжено заслонкой, размещенной на выходе, по меньшей мере, одной ступени лопаточной машины. 2. Installation according to claim 1, characterized in that the device for controlling the partiality is additionally equipped with a damper located at the outlet of at least one stage of the blade machine. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит осушитель газа, размещенный между источником газа высокого давления и входом лопаточной машины.3. An installation according to claim 1, characterized in that it contains a gas dryer located between the high-pressure gas source and the inlet of the blade machine.
RU2019141058A 2019-12-12 2019-12-12 Turbine expander power plant RU2727945C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141058A RU2727945C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Turbine expander power plant
PCT/RU2020/000470 WO2021118398A1 (en) 2019-12-12 2020-09-07 Turboexpander power unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141058A RU2727945C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Turbine expander power plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727945C1 true RU2727945C1 (en) 2020-07-27

Family

ID=71741183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141058A RU2727945C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Turbine expander power plant

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2727945C1 (en)
WO (1) WO2021118398A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774930C1 (en) * 2021-10-26 2022-06-24 Общество с ограниченной ответственностью «АЭРОГАЗ» (ООО «АЭРОГАЗ») Turbo-expander power plant operation method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516053C2 (en) * 2011-08-17 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" Turbo generator without output shaft
RU2668185C2 (en) * 2014-03-11 2018-09-26 Нуово Пиньоне СРЛ Turbomachine assembly
CN109915345A (en) * 2019-04-23 2019-06-21 山东大学 A kind of compressed-air energy-storage system and method with injector multilevel optimization
CN110043323A (en) * 2019-05-16 2019-07-23 广东索特能源科技有限公司 A kind of supersonic speed radial-inward-flow turbine

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU228381A1 (en) * 1965-12-04 1969-03-20
RU2386818C2 (en) * 2008-10-23 2010-04-20 Валерий Игнатьевич Гуров Gas turbogenerator
RU2564173C2 (en) * 2013-12-23 2015-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научный Центр "Керамические Двигатели" им. А.М. Бойко" Turbo-expander generator unit and system for energy take-off of natural gas flow from gas pipeline
CN104791015B (en) * 2014-01-17 2016-08-17 中国科学院理化技术研究所 Backheating type multistage coaxial expander

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516053C2 (en) * 2011-08-17 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" Turbo generator without output shaft
RU2668185C2 (en) * 2014-03-11 2018-09-26 Нуово Пиньоне СРЛ Turbomachine assembly
CN109915345A (en) * 2019-04-23 2019-06-21 山东大学 A kind of compressed-air energy-storage system and method with injector multilevel optimization
CN110043323A (en) * 2019-05-16 2019-07-23 广东索特能源科技有限公司 A kind of supersonic speed radial-inward-flow turbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774930C1 (en) * 2021-10-26 2022-06-24 Общество с ограниченной ответственностью «АЭРОГАЗ» (ООО «АЭРОГАЗ») Turbo-expander power plant operation method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021118398A1 (en) 2021-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5281087A (en) Industrial gas turbine engine with dual panel variable vane assembly
EP2531709B1 (en) Cooling of turbine components using combustor shell air
RU2550371C2 (en) Method of gas turbine operation, cooling system of gas turbine and gas turbine with such system
US8210801B2 (en) Systems and methods of reducing heat loss from a gas turbine during shutdown
CA2356529C (en) Apparatus and method to increase turbine power
US8061971B2 (en) Apparatus and method for cooling a turbine
US10619564B2 (en) Gas turbine and component-temperature adjustment method therefor
RU2562682C2 (en) Turbine comprising system of sealing air valves
US9822705B2 (en) Power augmentation system for a gas turbine
EP2917491A1 (en) External cooling fluid injection system in a gas turbine engine
EP3112607B1 (en) Gas turbine cool-down phase operation methods
CN107567533A (en) Reequip the apparatus and method of combined cycle generation equipment
KR20140038453A (en) Variable-pitch nozzle for a radial flow turbine, in particular for a turbine of an auxiliary power source
CN104995374A (en) Heat retention and distribution system for gas turbine engines
KR101833657B1 (en) Gas turbine operation method and operation control device
RU2727945C1 (en) Turbine expander power plant
US20160061060A1 (en) Combined cycle power plant thermal energy conservation
JP2011140899A (en) Method of modifying gas turbine plant
EA042762B1 (en) TURBO-EXPANDER POWER PLANT
CN114607477B (en) Rapid cooling method for unit turbine
RU2392465C2 (en) Cooling method of gas turbine engines at emergency (abrupt) shutdown of power plants
JP3177767B2 (en) Starting / Stopping Combined Power Plant
JP5650674B2 (en) GAS TURBINE CONTROL DEVICE, GAP CONTROL METHOD, AND GAS TURBINE HAVING GAP CONTROL DEVICE
RU2500895C1 (en) Gas turbine engine turbine
CN205206884U (en) Gas turbine and gas turbine clearance control system