Результат интеллектуальной деятельности: КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при модернизации компрессорных станций магистральных газопроводов с газотурбинными и электроприводными газоперекачивающими агрегатами.

Более 80% газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций магистральных газопроводов имеют газотурбинный привод нагнетателей. Доля электроприводных ГПА с синхронными электродвигателями мощностью 12,5 МВт, установленных на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов не превышает 20%. Они имеют ряд преимуществ перед газоперекачивающими агрегатами (ГПА) с газотурбинным приводом: более высокие КПД, ресурс, надежность, простоту технического обслуживания и ремонта. Их недостатками является значительные эксплуатационные затраты из-за высокой стоимости электроэнергии, поставляемой из высоковольтных электрических сетей. В случаях небольших изменений расхода природного газа в газопроводе и нагрузки компрессорной станции, производят дросселирование газа на входе в нагнетатели электроприводных ГПА. При снижении расхода газа через магистральный газопровод обычно производят отключение части работающих электроприводных ГПА.

Известна утилизационная энергетическая газотурбинная установка (УЭГТУ) для выработки электроэнергии собственных нужд на компрессорной станции (Р.З. Тумашев, С.С. Михеев, Б.А. Куникеев. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. «Машиностроение») 2016, №1, С. 44-53, Рис. 1). УЭГТУ состоит из приводной газотурбинной установки (ГТУ) компрессорной станции и утилизационной газотурбинной установки (УГТУ). При этом приводная ГТУ содержит газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины. УГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор. Вход компрессора утилизационной газотурбинной установки связан с атмосферой, а выход компрессора связан через регенеративный теплообменный аппарат с камерой сгорания, соединенной с входом газовой турбины. Расширенные в силовой газовой турбине приводной ГТУ продукты сгорания передают теплоту в регенеративном теплообменном аппарате сжатому в компрессоре УГТУ воздуху и сбрасываются в атмосферу. В камеру сгорания приводной ГТУ и в камеру сгорания УГТУ подают топливо. Газовая турбина и компрессор УГТУ имеют общий вал с электрогенератором.

Утилизация теплоты уходящих газов силовой турбины приводной ГТУ в теплообменнике позволяет повысить выработку электроэнергии в электрогенераторе утилизационной энергетической газотурбинной установки, которая может быть использована для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции и внешних потребителей.

Недостатком этой УЭГТУ является потеря теплоты уходящих газов газовой турбины УГТУ и ее небольшая электрическая мощность.

Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода (заявка на изобретение №2017127064/06(046663 «Комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода»), состоящая из приводной газотурбинной установки, содержащей газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины, и утилизационной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, дополнительный регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе газовой турбины, и электрогенератор; выход компрессора утилизационной энергетической газотурбинной установки связан двумя трубопроводами сжатого воздуха с ее камерой сгорания, первый трубопровод сжатого воздуха связывает компрессор с камерой сгорания утилизационной энергетической газотурбинной установки через регенеративный теплообменный аппарат приводной газотурбинной установки, а второй дополнительный трубопровод связывает компрессор с камерой сгорания утилизационной энергетической газотурбинной установки через ее дополнительный регенеративный теплообменный аппарат.

Данное техническое решение принято за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является невысокая электрическая мощность утилизационной энергетической газотурбинной установки недостаточной для привода электродвигателей электроприводных ГПА.

Техническими задачами настоящего изобретения являются:

- повышение электрической мощности утилизационной газотурбинной установки с возможностью ее использования для энергоснабжения двух электроприводных газоперекачивающих агрегатов КС;

- обеспечение работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов как при номинальных, так и при частичных нагрузках.

- снижение себестоимости транспорта газа на КС и повышение надежности электроприводных газоперекачивающих агрегатов.

Поставленные задачи решаются за счет того, что компрессорная станция магистрального газопровода, состоящая из приводной газотурбинной установки, содержащей газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины, и утилизационной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, дополнительный регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе газовой турбины, и электрогенератор; при этом выход компрессора утилизационной энергетической газотурбинной установки связан двумя трубопроводами сжатого воздуха с ее камерой сгорания, первый трубопровод сжатого воздуха связывает компрессор с камерой сгорания утилизационной энергетической газотурбинной установки через регенеративный теплообменный аппарат приводной газотурбинной установки, а второй дополнительный трубопровод связывает компрессор с камерой сгорания утилизационной энергетической газотурбинной установки через ее дополнительный регенеративный теплообменный аппарат, причем компрессорная станция магистрального газопровода дополнительно снабжена по меньшей мере, двумя электроприводными газоперекачивающими агрегатами, электродвигатели которых связанны электрическими линиями, содержащими электрические выключатели, с электрогенератором утилизационной энергетической газотурбинной установки, а также системой управления, которая связана импульсными линиями с датчиком расхода природного газа в магистральном газопроводе, с регулируемым направляющим аппаратом компрессора утилизационной энергетической газотурбинной установки и с системой регулирования подвода топлива к ее камере сгорания.

На Фиг. 1 представлена тепловая схема компрессорной станции магистрального газопровода. Она содержит магистральный газопровод 1, нагнетатели 2 электроприводных ГПА, электродвигатели 3, импульсные линии 4, электрические выключатели 5, электрическую линию 6, приводной газоперекачивающий агрегат 7, компрессор с регулируемым сопловым аппаратом 8, газовую турбину 9, трубопровод сжатого воздуха 10, регенеративный теплообменный аппарат 11, первый трубопровод сжатого воздуха 12, второй трубопровод сжатого воздуха 13, камеру сгорания 14, регенеративный теплообменный аппарат утилизационной газотурбинной установки 15, трубопровод подогретого сжатого воздуха 16, систему управления 17, датчик расхода природного газа 18 в магистральном газопроводе 1, устройство регулирования подачи топлива 19 в камеру сгорания.

Выход компрессора 8 утилизационной газотурбинной установки связан с ее камерой сгорания 14 через первый трубопровод сжатого воздуха 12 и трубопровод подогретого сжатого воздуха 16, а также связан с камерой сгорания 14 через второй трубопровод сжатого воздуха 13 и регенеративный теплообменный аппарат утилизационной газотурбинной установки 15. Камера сгорания 14 связана с входом газовой турбины 9, выход которой связан с атмосферой через регенеративный теплообменный аппарат 15 утилизационной газотурбинной установки. Газовая турбина соединена валами с компрессором 8 и электрогенератором 10, который связан электрической линией 6 с электрическими выключателями 5 с электродвигателями 3, связанными с нагнетателями 2 двух электроприводных ГПА, включенных в магистральный газопровод 1. Выход силовой газовой турбины приводного газоперекачивающего агрегата 7 связан с атмосферой через регенеративный теплообменный аппарат 11. Система управления 17 связана импульсными линиями 6 с регулируемым сопловым аппаратом компрессора 8, с устройством регулирования подачи топлива 19 в камеру сгорания 14, а также с датчиком расхода природного газа 18 в магистральном газопроводе 1.

Компрессорная станция магистрального газопровода работает следующим образом.

Атмосферный воздух сжимают в компрессоре 8 утилизационной энергетической газотурбинной установки и сжатый в нем воздух подают в камеру сгорания 14 по двум трубопроводам. Меньшую часть (35-37%) воздуха сжатого в компрессоре 8 подают в камеру сгорания 14 через первый трубопровод сжатого воздуха 12 и трубопровод подогретого сжатого воздуха 16. Большую его часть (65-67%) подают в камеру сгорания 14 через второй трубопровод сжатого воздуха 13 и регенеративный теплообменный аппарат 15 утилизационной энергетической газотурбинной установки. Теплом выхлопных газов силовой газовой турбины приводного газоперекачивающего агрегата 7 подогревают в регенеративном теплообменном аппарате 11 меньшую часть сжатого воздуха, подводимого в него из компрессора 8 по первому трубопроводу сжатого воздуха 12. Затем по трубопроводу подогретого сжатого воздуха 16 его подают в камеру сгорания 14.

Система управления 17 обеспечивает поддержание требуемой, в соответствии с режимами работы компрессорной станции, электрической мощности электрогенератора 10 утилизационной энергетической газотурбинной установки, которая должна соответствовать электрической мощности электродвигателей 3 двух работающих электроприводных ГПА. При этом в систему управления 17 по импульсным линиям 4 поступают данные от датчика измерения расхода газа 18 в магистральном газопроводе 1. С учетом величины расхода газа в нагнетателях 2 двух электроприводных ГПА, определяемого датчиком измерения расхода газа 18, система управления 17 передает управляющие сигналы регулируемому сопловому аппарату компрессора 8 и устройству регулирования подачи топлива 19 в камеру сгорания 14. При работе двух электроприводных ГПА как в номинальном, так и на частичных режимах, система управления 17 обеспечивает изменение электрической мощности утилизационной энергетической газотурбинной установки за счет изменения расхода воздуха через ее компрессор 8 и расхода топлива в камеру сгорания 14. Кроме того, предложенная компрессорная станция предусматривает возможность плавного пуска не работающих электроприводных ГПА. В этом случае производят пуск утилизационной энергетической газотурбинной установки, повышают число оборотов электрогенератора 10, включают электрические выключатели 5 и производят плавный частотный пуск электродвигателей 3 электроприводных ГПА.

Подача во второй трубопровод сжатого воздуха большей части (65 -67%) от воздуха, сжатого в компрессоре, позволяет повысить мощность и электрический КПД утилизационной энергетической газотурбинной установки за счет повышения утилизации тепла выхлопных газов в ее регенеративном теплообменный аппарате.

Применение дополнительной электрической линии с электрическими выключателями, системы управления, импульсных линий, датчика расхода природного газа в магистральном газопроводе и устройства регулирования подачи топлива в камеру сгорания позволяет обеспечить работу двух электроприводных ГПА как при номинальной нагрузке, так и их работу на частичных нагрузках с частотным регулированием их электродвигателей. Пуск утилизационной энергетической газотурбинной установки с постепенным увеличением числа оборотов электрогенератора позволяет осуществлять плавные частотные пуски и повышение нагрузки неработающих электроприводных ГПА.