Газотурбодетандерная энергетическая установка тепловой электрической станции

Изобретение относится к газотурбодетандерным энергетическим установкам и может быть использовано на тепловых электрических станциях.

Известна газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, электрогенератор, теплообменный аппарат, турбодетандер. Высоконапорная магистраль природного газа соединена через теплообменный аппарат с входом турбодетандера, выход которого связан с камерой сгорания и с потребителем газа. Силовая газовая турбина связана валом с электрогенератором. Ротор высокооборотного турбодетандера соединен валом с ротором компрессора. Греющей средой в теплообменном аппарат являются выхлопные газы силовой газовой турбины. (Патент РФ №2338908). Положительным качеством данной газотурбинной установки является привод компрессора от высокооборотного турбодетандера. Но она не может быть применена на тепловых электрических станциях (ТЭС), так как давление газа расширенного в турбодетандере и подаваемого а камеру сгорания газотурбинной установки должно быть не менее 2,5 МПа, когда в горелки котельных агрегатов ТЭС подается газ низкого давления (0,13-0,14 МПа).

Известен способ работы турбодетандерного агрегата (ТДА) используемого для выработки электроэнергии на ТЭС. Согласно этому способу природный газ подают на газораспределительную станцию (ГРП) ТЭС с давлением 1,0-0,6 МПа, подогревают до температуры 80-100°С, расширяют в турбодетандерном агрегате до давления 0,13-0,15 МПа и температуры 3-5°С, исключающей гидратообразование. Работу турбодетандера используют для привода электрогенератора и выработки электроэнергии. Газ расширенный в турбодетандере, подогревают теплом теплоносителя и подают в горелки котельных агрегатов ТЭС, Теплоносителем для подогрева газа перед детандером служит вода нагретая теплом пара из регулируемых отборов паровых турбин. Конденсат греющего пара используемого для подогрева газа до и после турбодетандера возвращают в пароводяной цикл ТЭС. В зимнем режиме работы ТЭС греющую воду для ТДА подогревают также в пиковых водогрейных котлах. (Е.А. Жигулина, Н.В. Калинин, В.Г. Хромченков. Эффективность подогрева природного газа при использовании детандергенераторных агрегатов на тепловых электрических станциях, www/cqmbienergy/ru. Статьи). Недостатками этого способа и установки для его осуществления является необходимость связи ТДА трубопроводами теплоносителя с регулируемыми отборами паровых турбин и пиковыми водогрейными котлами ТЭС

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является энергетическая газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов (Патент РФ №2541080).

Энергетическая газотурбодетандерная установка по патенту №2541080 состоит из газопровода высокого давления, подогревателя газа, турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины, электрогенератора, выхлопного газохода, теплообменника-регенератора, трубопровода топливного газа, системы управления давлением газа, насосом теплоносителя, трубопроводы горячего и охлажденного теплоносителя; газопровод высокого давления соединен через теплообменник-регенератор с входом турбодетандера, его выход связан с выходной газовой магистралью, выход газовой турбины связан через теплообменник-регенератор с атмосферой, турбодетандер связан общим валом с входом компрессора, газовая турбина соединена валом с электрогенератором; при изменении давления газа в газопроводе высокого давления система управления давлением поддерживают постоянное давление газа вышедшего из турбодетандера. Данное изобретение принято в качестве прототипа предполагаемого изобретения. Положительными качествами прототипа является повышение электрической мощности энергетической газотурбинной установки за счет использования работы турбодетандера для сжатия воздуха в компрессоре и снижение стоимости установки за счет применения в ней высокооборотного компрессора с меньшим числом ступеней. Но установка - прототип предназначена для выработки электроэнергии на компрессорной станции магистрального газопровода с подачей в турбодетандер природного газа высокого давления 5,5-7 МПа и его расширения в турбодетандере до 2,5-3 МПа. Она не может быть применена на тепловой электрической станции (ТЭС), так как на ТЭС подают природный газ с давлением 1,0-0,6 МПа, дросселируют до 0,13-0,14 МПа и направляют в горелки котельных агрегатов.

Технической задачей газотурбодетандерной энергетической установки является увеличение выработки электроэнергии, повышение тепловой экономичности тепловой электрической станции и снижение ее стоимости. Поставленная задача решается за счет того, что в энергетической газотурбодетандерной установке состоящей из газопровода высокого давления, подогревателя газа высокого давления, турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом, газопровода низкого давления, подогревателя газа низкого давления, системы управления давлением газа, газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, выхлопного газохода газовой турбины, трубопроводов горячего и охлажденного теплоносителя с насосом; газопровод высокого давления соединен по газу через подогреватель газа высокого давления с входом турбодетандера, его выход связан с входом подогревателя газа низкого давления, турбодетандер соединен валом с компрессором, газовая турбина соединена валом с электрогенератором, система управления давлением газа связана импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом турбодетандера и с газопроводом газа низкого давления, причем природный газ из газопровода высокого давления подают на установку с давлением 1,0-0,6 МПа, установка дополнительно снабжена дожимным газовым компрессором, воздухоохладителем, регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным теплообменником, газопровод высокого давления связан с входом дожимного газового компрессора, выход которого соединен с камерой сгорания, в выхлопном газоходе газовой турбины последовательно установлены регенеративный воздухоподогреватель и утилизационный теплообменник связанный трубопроводами горячего и охлажденного теплоносителя и насосом с подогревателем газа высокого давления, с воздухоохладителем и с подогревателем газа низкого давления, выход подогревателя газа низкого давления связан газопроводом газа низкого давления (0,13-0,14 МПа) с горелками котельных агрегатов тепловой электрической станции.

На Фиг. 1 представлена схема газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции. Газотурбодетандерная энергетическая установка содержит: газопровод высокого давления 1, дожимной газовый компрессор 2, турбодетандер 3, компрессор 4, регенеративный воздухоподогреватель 5, газовую турбину 6, электрогенератор 7, камеру сгорания 8, воздухоохладитель 9, подогреватель газа высокого давления 10, утилизационный теплообменник 11, трубопроводы горячего и охлажденного теплоносителя 12 с насосом, подогреватель газа низкого давления 13, газопровод газа низкого давления 14, котельные агрегаты 15, систему управления давлением газа 16.

Газопровод высокого давления 1 (1,0-0,6 МПа) связан с входом дожимного газового компрессора 2 и через подогреватель газа высокого давления 10 подключен к входу турбодетандера 3. Выход дожимного газового компрессора 2 связан с камерой сгорания 8. Выход турбодетандера 3 через подогреватель подогрева газа низкого давления 13 и газопровод газа низкого давления 14 связан с котельными агрегатами 15 тепловой электрической станции, а также связан с воздухоохладителем 9 установленном на входе в компрессор 4. Выход компрессора 4 через регенеративный воздухоподогреватель 5 и камеру сгорания 8 связан с входом газовой турбины 6. Ее выход связан с атмосферой через регенеративный воздухоподогреватель 5 и утилизационный теплообменник 11, который трубопроводами теплоносителя (воды) 12 соединен с подогревателем газа высокого давления 10 и с подогревателем газа низкого давления 13. Выхлоп газовой турбины 6 связан с атмосферой через регенеративный воздухоподогреватель 5 и утилизационный теплообменник 11. Ротор газовой турбины 6 соединен валом с электрогенератором 7. Ротор детандера 3 связан валами с дожимным газовым компрессором 2 и с компрессором 4. Система управления давлением газа 16 соединена импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом детандера 3 и с газопроводом газа низкого давления 14.

Газотурбодетандерная энергетическая установка тепловой электрической станции работает следующим образом. Большую часть природного газа из газопровода высокого давления 1 с давлением 1,0-0,6 МПа подогревают в подогревателе газа высокого давления 10 до 80-100°С, подают в турбодетандер 3, расширяют в нем до давления 0,13-0,14 МПа и температуры в 3-5°С. В летний период часть этого газа подают в воздухоохладитель 9 для охлаждения воздуха перед компрессором 4, затем этот газ подогревают до 50-60°С в подогревателе низкого давления 13 и по газопроводу газа низкого давления 14 направляют в котельные агрегаты 15 тепловой электрической станции. Подогрев газа в подогревателе газа низкого давления 13 производят теплом теплоносителя (воды) подводимой по трубопроводу горячего теплоносителя 12. Теплоту этого теплоносителя используют также для подогрева природного газа высокого давления в подогревателе газа высокого давления 10. Меньшую часть природного газа из газопровода высокого давления 1 подают в дожимной газовый компрессор 2, сжимают и направляют в камеру сгорания 8. Атмосферный воздух охлаждают в воздухоохладителе 9, сжимают в компрессоре 4, через регенеративный воздухоподогреватель 5 подают его в камеру сгорания 8. Продукты сгорания, расширенные в газовой турбине 6 через регенеративный воздухоподогреватель 5 и утилизационный теплообменник 11 сбрасывают в атмосферу. В регенеративном воздухоподогревателе 5 теплом уходящих газов газовой турбины 6 подогревают воздух, сжатый в компрессоре 4.

Технические решения, примененные в предлагаемой газотурбодетандерной энергетической установке, позволяют:

- в турбодетандере 3 расширять топливный газ для всех котельных агрегатов тепловой электрической станции;

- механическую энергию турбодетандера 3 использовать как для сжатия воздуха в компрессоре 4, так и для сжатия природного газа в дожимном газовом компрессоре 2;

- за счет применения высокого числа оборотов в турбодетандере 3, компрессоре 4 и в дожимном газовом компрессоре 2 уменьшить их число ступеней и стоимость;

- применение регенеративного воздухоподогревателя 5 позволяет уменьшить степень сжатия воздуха в компрессоре и степень повышения давления в дожимном газовом компрессоре 2;

- в летний период охлаждать воздух перед компрессором и повысить тепловую экономичность установки;

- повысить тепловую экономичность установки за счет подогрева теплоносителем газа высокого и низкого давления.