Газоперекачивающая станция
Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для газокомпрессорных станций, включающих в себя газоперекачивающие агрегаты магистральных газопроводов. Для повышения эффективности газоперекачивающей станции при ее модернизации в газоперекачивающую станцию, состоящую из ряда блоков, каждый из которых содержит работающий и резервный газоперекачивающий агрегаты, содержащие газотурбинные двигатели, связанные каждый по валу со своим газовым компрессором, а по выхлопам горячего газа соединенные магистралью с котлом-утилизатором, в каждый блок введены первый и второй асинхронные двигатели, первый и второй частотные преобразователи, автоматическая система регулирования и двухкаскадная паротурбинная установка с синхронным генератором. Введение двухкаскадной паротурбинной установки с синхронным генератором, подключенной через частотный преобразователь и коммутатор электрической нагрузки либо к асинхронному двигателю работающего газоперекачивающего агрегата, либо к асинхронному двигателю резервного газоперекачивающего агрегата, и соединение каждого асинхронного двигателя через промежуточный вал с газовым компрессором обеспечивает передачу дополнительного крутящего момента со стороны, противоположной валу силовой турбины газотурбинного двигателя. Использование цифровой системы автоматического регулирования, соединенной через частотный преобразователь и коммутатор электрической нагрузки с выбранным для работы асинхронным двигателем позволяет нагружать асинхронный двигатель так, что скорость вращения ротора синхронного генератора постоянно находится на заданном уровне, обеспечивая требуемую частоту генерируемого синхронным генератором напряжения без использования внешней электрической сети и собственной системы автоматического регулирования. Таким образом, существенно улучшаются эксплуатационные характеристики газотурбинного оборудования, и повышается эффективность газоперекачивающей станции. 1 з.п.ф., 1 ил.
Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для газокомпрессорных станций, включающих в себя газоперекачивающие агрегаты магистральных газопроводов. В связи с тем, что основным элементом газоперекачивающего агрегата является газотурбинный двигатель, предлагаемое решение, в частности, относится к газотурбинному оборудованию, предназначенному для привода газоперекачивающих агрегатов газокомпрессорных станций.
Повышение эффективности газокомпрессорных станций является важной государственной задачей, требующей существенной модернизации оборудования таких станций.
Известен целый ряд технических решений, которые позволяют повысить эффективность использования газотурбинного двигателя газоперекачивающих агрегатов. Большинство этих решений объединяет использование в выхлопном тракте газотурбинного двигателя котлов-утилизаторов для производства водяного пара высокого давления, который в последующем направляется на паровую турбину. В свою очередь паровая турбина может использоваться для привода электрического генератора для электроснабжения газокомпрессорной станции [Патент РФ на полезную модель 
61814, MПK: F04D 25/02, F17D 1/07 «Газоперекачивающая компрессорная станция для магистрального газопровода», патент РФ 2377427, МПК: F02С 6/18 «Способ утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и устройство для его осуществления»], либо для привода дополнительного газового компрессора, использование которого позволяет снизить себестоимость транспортировки газа [Патент РФ 2256118, МПК: F17D 1/07, F02C 6/18 «Энергетическая установка для компрессорной станции магистрального газопровода»].
Использование паровой турбины в качестве привода электрического генератора или привода газового компрессора является хорошо отработанным техническим решением. Однако, недостатком традиционной паровой технологии по патенту 2377427, ограничивающим ее использование газотранспортными компаниями, является высокотемпературный пар высокого давления и вода, которая, как известно, может замерзать при отрицательных температурах, например, при нахождении газоперекачивающего агрегата в состоянии холодного резерва. К недостаткам такого решения также относят необходимость в большой номенклатуре сложного в эксплуатации, дорогостоящего вспомогательного оборудования, обеспечивающего работу паровых котлов, а также наличия источника воды для постоянной подпитки системы.
Не нашли практического применения на газокомпрессорных станциях решения, в которых предлагается использование дополнительного газового компрессора, где в качестве его привода используется паровая турбина. В этом случае требуется строительство отдельной газовой нитки, в которую он будет инсталлирован. В связи с тем, что производительность вновь устанавливаемого компрессора будет напрямую зависеть от режима работы основных компрессоров, приводимых с помощью газотурбинных двигателей, возникает проблема, связанная с возможностью независимого регулирования его производительности.
Применение паровой турбины в качестве привода электрического генератора обычно связано с трудностями, которые обусловлены особенностями газокомпрессорной станции как источника электроснабжения. Так, электрическая мощность, которая может быть получена от утилизации тепла выхлопных газов всех одновременно работающих ГПА обычно в 10
100 раз больше, чем требуется для обеспечения собственных нужд газокомпрессорной станции. Диапазон изменения электрической нагрузки при постоянной производительности газовых компрессоров находится в пределах от 10 до 100%.
Кроме того, использование сетевыми компаниями избыточно вырабатываемой газоперекачивающими станциями энергии затруднено, что обусловлено российским законодательством, поскольку не установлен регламент подключения подобного электрогенерирующего оборудования к сети, сложен процесс согласования с сетевыми компаниями режима работы электрогенерирующего оборудования с экспортом избыточно вырабатываемой электроэнергии в сеть, а тарифы, по которым сетевая компания готова приобретать избыточную электрическую энергию экономически невыгодны.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является газоперекачивающая станция [Патент РФ 2467189, МПК: F02С 6/18 «Газоперекачивающая станция»], повышение эффективности которой достигается за счет снижения расхода топлива на газотурбинные установки с газовыми компрессорами при осуществлении перекачки газа. Эта газоперекачивающая станция выбрана за прототип. Газоперекачивающая станция по указанному патенту включает ряд блоков, каждый из которых содержит работающий и резервный газоперекачивающие агрегаты. Газоперекачивающие агрегаты содержат газотурбинные установки, связанные каждая по валу со своим газовым компрессором, а по выхлопам горячего газа соединенные магистралью с котлом-утилизатором, включающим камеру дожигания и паровую турбину. Повышение эффективности газоперекачивающих станций в данном решении достигается за счет использования третьего газового компрессора, с которым соединена паровая турбина котла-утилизатора каждого блока. Однако, данному устройству также присущи недостатки аналогов, приведенных выше, а именно: требуется высокотемпературный водяной пар высокого давления, реконструкция существующей газотранспортной системы станции, дополнительное вспомогательное оборудование из-за использования воды и пара, сложность регулирования производительности вновь устанавливаемого компрессора. Все перечисленное ухудшает эксплуатационные характеристики газоперекачивающей станции.
Поставленная задача заключается в повышении эффективности газоперекачивающей станции при ее модернизации.
Повышение эффективности газоперекачивающей станции достигается за счет технического результата, который заключается в улучшении эксплуатационных характеристик газоперекачивающей станции.
Технический результат достигается тем, что в газоперекачивающую станцию, включающую ряд блоков, каждый из которых содержит работающий и резервный газоперекачивающий агрегаты, содержащие газотурбинные двигатели, связанные каждый по валу со своим газовым компрессором, а по выхлопам горячего газа соединенные магистралью с котлом-утилизатором, в каждый блок введены первый и второй асинхронные двигатели, первый и второй частотные преобразователи, автоматическая система регулирования и двухкаскадная паротурбинная установка с синхронным генератором, при этом газовые компрессоры со стороны, противоположной валу силовой турбины газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата кинематически связаны с первым и вторым асинхронными двигателями соответственно, силовые входы которых соединены с первым и вторым выходами коммутатора электрической нагрузки, вход которого соединен с выходом первого частотного преобразователя, первый вход которого подключен к первому выходу двухкаскадной паротурбинной установки, а второй соединен с выходом автоматической системы регулирования, вход которой подключен к второму выходу двухкаскадной паротурбинной установки, выход теплоносителя котла-утилизатора соединен с входом теплоносителя двухкаскадной паротурбинной установки, выход теплоносителя которой подключен к входу теплоносителя котла-утилизатора. К первому выходу двухкаскадной паротурбинной установки также подключен второй частотный преобразователь, выход которого подключен к потребителям электрической энергии газокомпрессорной станции.
При этом котел-утилизатор выполнен термомасляным, а двухкаскадная паротурбинная установка выполнена в виде установки, работающей по органическому циклу Ренкина.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации заявляемая совокупность признаков не была обнаружена, что позволяет считать данное техническое решение соответствующим критерию «новизна».
При введении отличительных признаков общая совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат. Введение двухкаскадной паротурбинной установки с синхронным генератором, подключенной через частотный преобразователь и коммутатор электрической нагрузки либо к асинхронному двигателю работающего газоперекачивающего агрегата, либо к асинхронному двигателю резервного газоперекачивающего агрегата, и соединение каждого асинхронного двигателя через промежуточный вал с газовым компрессором обеспечивает передачу дополнительного крутящего момента со стороны, противоположной валу силовой турбины газотурбинного двигателя. Использование цифровой системы автоматического регулирования, соединенной через частотный преобразователь и коммутатор электрической нагрузки с выбранным для работы асинхронным двигателем позволяет нагружать асинхронный двигатель так, что скорость вращения ротора синхронного генератора постоянно находится на заданном уровне, обеспечивая требуемую частоту генерируемого синхронным генератором напряжения без использования внешней электрической сети и собственной системы автоматического регулирования. Таким образом, указанная общая совокупность признаков, заявленных в независимом пункте формулы, существенно улучшает эксплуатационные характеристики газотурбинного оборудования и повышает эффективность газоперекачивающей станции..
Выполнение котла-утилизатора термомасляным в совокупности с двухкаскадной паротурбинной установкой, работающей по органическому циклу Ренкина усиливает технический результат за счет использования в качестве теплоносителя диатермического масла низкого давления и высокомолекулярных рабочих тел, не замерзающих при низких отрицательных температурах, не требующих в ходе эксплуатации постоянной подпитки и сложного вспомогательного оборудования, что также приводит к повышению эффективности газоперекачивающей станции.
Сущность технического решения поясняется чертежом.
На фиг.1 представлена блок-схема газоперекачивающей станции.
Устройство по фиг.1 содержит:
1 - работающий газоперекачивающий агрегат (ГПА),
2 - резервный газоперекачивающий агрегат (ГПА),
3, 4 - первый и второй газотурбинные двигатели (ГТД),
5, 6 - первый и второй газовые компрессоры (ГК),
7 - котел-утилизатор (КУ),
8, 9 - первый и второй асинхронные электродвигатели (АД),
10 - коммутатор электрической нагрузки (КЭН),
11, 12 - первый и второй частотные преобразователи (ЧП),
13 - двухкаскадную паротурбинную установку, (ДПТУ),
14 - цифровую систему автоматического регулирования (ЦСАР).
В работающем газоперекачивающем агрегате ГПА1 газотурбинный двигатель ГТДЗ связан по валу с газовым компрессором ГК5, который со стороны, противоположной валу силовой турбины ГТД3, кинематически связан с первым асинхронным двигателем АД8, силовой вход которого соединен с первым выходом коммутатора электрической нагрузки КЭН10. Второй выход коммутатора электрической нагрузки КЭН10 подключен к силовому входу второго асинхронного двигателя АД9, выход которого кинематически связан с газовым компрессором ГК6 резервного газоперекачивающего агрегата ГПА2 со стороны, противоположной валу силовой турбины ГТД4. Выходы по выхлопному газу газотурбинных двигателей ГТД3 и ГТД4 соединены соответственно с первым и вторым входами котла-утилизатора КУ7. Выход теплоносителя котла-утилизатора КУ7 соединен с входом теплоносителя двухкаскадной паротурбинной установки ДПТУ13, выход теплоносителя которой подключен к входу теплоносителя котла-утилизатора КУ7. Вход коммутатора электрической нагрузки КЭН10 соединен с выходом первого частотного преобразователя ЧП11, первый вход которого подключен к первому выходу двухкаскадной паротурбинной установки ДПТУ13, являющимся силовым выходом синхронного генератора, а второй вход первого частотного преобразователя ЧП11 соединен с выходом цифровой схемы автоматического регулирования ЦСАР14. Вход ЦСАР14 подключен к второму выходу двухкаскадной паротурбинной установки ДПТУ13, являющимся выходом датчика скорости вращения ротора синхронного генератора (на фиг.1 не показан). Вход второго частотного преобразователя ЧП12 также подключен к первому выходу ДПТУ13. Выход второго частотного преобразователя ЧП12 соединен с потребителями электрической энергии газокомпрессорной станции.
В качестве асинхронных двигателей могут быть применены, например, электродвигатели типа 1ТА 2343-8BU01-Z или 1RN45604HE90-Z, реализующие высокоскоростной режим работы. Для передачи крутящего момента от ротора асинхронного двигателя к ротору газового компрессора, на валу газового компрессора со стороны, противоположной силовой турбине, установлена муфта (на фиг.1 не показана). Частотные преобразователи представляют собой устройство, которое может быть выполнено так, как это показано в [http://www.siemens-drives.ru/products/vysokovoltnye-preobrazovateli-chastoty/robicon-perfect-harmony/]. В качестве теплоносителя котла-утилизатора использовано высокотемпературное диатермическое масло. Двухкаскадная паротурбинная установка, работающая по циклу Ренкина, известна специалистам в области теплотехники. Цифровая система автоматического регулирования представляет собой контроллер с ПИД-регулятором.
Устройство по фиг.1 работает следующим образом.
Наружный воздух поступает на вход в работающий ГПА1, ГПА2 в этом случае находится в холодном резерве. Выхлопные газы с температурой 370450°С с выхода силовой турбины газотурбинного двигателя ГТД3 работающего ГПА1 поступают в термомасляный котел-утилизатор КУ7, нагревая теплоноситель (диатермическое масло), который циркулирует с помощью циркуляционных насосов (на фиг.1 не показаны) между котлом-утилизатором и двухкаскадной паротурбинной установкой ДПТУ13, в частности, установкой, работающей по органическому циклу Ренкина. В испарителях установки ДПТУ13 масло последовательно отдает свое тепло рабочему телу высокотемпературного и низкотемпературного каскадов данной установки, где происходит переход рабочего тела из жидкого состояния в парообразное, которое в полном объеме поступает на рабочие колеса турбин и приводит во вращение электрический синхронный генератор. Вырабатываемое синхронным генератором напряжение с частотой 50±2,5 Гц поступает на вход в частотные преобразователи ЧП11 и ЧП12. Частотный преобразователь ЧП11 осуществляет нагружение асинхронного электродвигателя АД8, который обеспечивает передачу дополнительного крутящего момента газовому компрессору ГК5 со стороны, противоположной силовой турбине ГТД3. Для обеспечения передачи дополнительного крутящего момента ротор газового компрессора ГК5 оснащается промежуточный валом с муфтой, аналогичной той, которая используется для передачи крутящего момента со стороны силовой турбины ГТД3.
Переключение газоперекачивающих агрегатов в рабочий или резервный режим осуществляется в коммутаторе электрической нагрузки оператором. Нагружение асинхронного электродвигателя АД8 (или АД9) выполняется таким образом, чтобы скорость вращения ротора ДПТУ13 находилась в пределах 1500±75 об/мин, обеспечивая тем самым требуемый диапазон частоты напряжения на входе в частотный преобразователь ЧП11. Для выполнения этой функции используется цифровая система автоматического регулирования ЦСАР14 с ПИД-регулятором, на вход которой поступает электрический сигнал со второго выхода установки ДПТУ13, на который поступают данные с датчика скорости вращения ротора синхронного генератора. Таким образом, обеспечивается поддержание требуемой скорости вращения вала ротора ДПТУ13 без использования внешней электрической сети и собственной системы автоматического регулирования, которая обеспечивает заданную скорость вращения вала ротора традиционным способом, например, за счет изменения расхода рабочего тела через колеса турбин. Асинхронный двигатель будет снижать величину крутящего момента стороны силовой турбины, обеспечивая увеличение ресурса газотурбинного двигателя ГПА за счет снизившейся нагрузки. Предлагаемое техническое решение будет гарантированно обеспечивать баланс между вырабатываемой и потребляемой мощностью, обеспечивая тем самым снижение себестоимости транспортировки газа и отказа от приобретения электрической энергии у электросетевой компании.
Использование в полезной модели двухкаскадной паротурбинной установки, работающей по органическому циклу Ренкина, позволяет осуществлять передачу крутящего момента от колеса турбины к генератору без редуктора, реагенты, которые используются в качестве рабочего тела, не замерзают при отрицательных температурах, для обслуживания установки не требуется постоянного присутствия обслуживающего персонала. Наличие двухкаскадной схемы обеспечивает более глубокую утилизацию тепла выхлопных газов газотурбинных, что ведет к увеличению выработки электроэнергии и сокращению затрат газа на его транспортировку.
Частотный преобразователь ЧП12 обеспечивает электроснабжение потребителей газокомпрессорной станции. В том случае, если вырабатываемая синхронным генератором ДПТУ13 электрическая мощность окажется избыточной, избыток всегда будет направляться в асинхронный электродвигатель АД8 через частотный преобразователь ЧП11.
Таким образом, совокупность существенных признаков позволяет увеличить ресурс газотурбинных двигателей за счет снижения их нагрузки, обеспечить автономное электроснабжение потребителей газоперекачивающей станции без подключения к внешней сети с гарантированным использованием всей вырабатываемой электроэнергии для всех режимов работы. Предлагаемая газоперекачивающая станция имеет улучшенные эксплуатационные характеристики, нет необходимости изменять существующую инфраструктуру газопроводов, поскольку количество газовых компрессоров остается прежним, обеспечивается автономность работы, что, в конечном итоге, повышает эффективность газоперекачивающей станции при ее модернизации.
1. Газоперекачивающая станция, включающая ряд блоков, каждый из которых содержит работающий и резервный газоперекачивающий агрегаты, содержащие газотурбинные двигатели, связанные каждый по валу со своим газовым компрессором, а по выхлопам горячего газа соединенные магистралью с котлом-утилизатором, отличающаяся тем, что в каждый блок введены первый и второй асинхронные двигатели, первый и второй частотные преобразователи, автоматическая система регулирования и двухкаскадная паротурбинная установка с синхронным генератором, при этом газовые компрессоры со стороны, противоположной валу силовой турбины газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата, кинематически связаны соответственно с первым и вторым асинхронными двигателями, силовые входы которых соединены с первым и вторым выходами коммутатора электрической нагрузки, вход которого соединен с выходом первого частотного преобразователя, первый вход которого подключен к первому выходу двухкаскадной паротурбинной установки, а второй соединен с выходом автоматической системы регулирования, вход которой подключен к второму выходу двухкаскадной паротурбинной установки, выход теплоносителя котла-утилизатора соединен с входом теплоносителя двухкаскадной паротурбинной установки, выход теплоносителя которой подключен к входу теплоносителя котла-утилизатора, при этом с первым выходом двухкаскадной паротурбинной установки также соединен второй частотный преобразователь, выход которого подключен к потребителям электрической энергии газокомпрессорной станции.
2. Газоперекачивающая станция по п.1, отличающаяся тем, что котел-утилизатор выполнен термомасляным, а двухкаскадная паротурбинная установка выполнена с возможностью работы по органическому циклу Ренкина.
РИСУНКИ
