RU170357U1

RU170357U1 - GAS TURBINE INSTALLATION

Info

Publication number: RU170357U1
Application number: RU2016131306U
Authority: RU
Inventors: Рамиль Назифович Бахтизин; Артур Рифович Галикеев; Аида Рубэновна Гадельшина; Борис Николаевич Мастобаев; Сергей Владимирович Китаев; Михаил Владимирович Чучкалов
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2017-04-24

Abstract

Полезная модель относится к области газовой промышленности, в частности к компрессорным станциям магистрального газопровода и может быть использована для повышения мощности газоперекачивающего агрегата, снижения расхода топливного газа и сокращения вредных выбросов в атмосферу. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение мощности газотурбинной установки за счет обеспечения полноты сгорания природного газа, ресурсосбережение за счет снижения удельного расхода топливного газа и затрат на водоподготовку, оздоровление экологической ситуации вокруг КС за счет снижения количества вредных выбросов в атмосферу. Технический результат достигается тем, что в действующей схеме газотурбинной установки осуществляют монтаж узлов смешения, подачи, предварительного и основного нагрева и впрыска водного раствора активатора горения в камеру сгорания газотурбинной установки для форсирования ее мощности, при этом в качестве активатора горения используют метанол, легко диссоциирующий при повышенных температурах с образованием гидроксильных анионов (ОН), а в качестве растворителя используют отфильтрованную дождевую воду, которая является одной из форм атмосферных осадков и по сравнению с другими источниками (поверхностными, родниковыми, пластовыми) имеет гораздо меньше загрязняющих и накипеобразующих веществ в силу того, что получена она из водяного пара в атмосферных слоях без соприкосновения с почвой, содержащей соли и минералы.The utility model relates to the field of the gas industry, in particular, to compressor stations of the main gas pipeline and can be used to increase the capacity of a gas pumping unit, reduce fuel gas consumption and reduce harmful emissions into the atmosphere. The technical result of the proposed utility model is to increase the capacity of a gas turbine unit by ensuring the completeness of natural gas combustion, saving resources by reducing the specific fuel gas consumption and water treatment costs, improving the environmental situation around the compressor station by reducing the amount of harmful emissions into the atmosphere. The technical result is achieved by the fact that in the current scheme of a gas turbine installation, mixing, supply, preliminary and main heating and injection units of an aqueous solution of a combustion activator are mounted in a combustion chamber of a gas turbine installation to force its capacity, while methanol is used as a combustion activator, which easily dissociates when elevated temperatures with the formation of hydroxyl anions (OH), and filtered rain water, which is a form of atmospheric precipitation and compared with other sources (surface, spring, reservoir) has much less polluting and scale-forming substances due to the fact that it is obtained from water vapor in atmospheric layers without contact with soil containing salts and minerals.

Description

Полезная модель относится к области газовой промышленности, в частности к компрессорным станциям (КС) магистрального газопровода (МГ) и может быть использована для повышения мощности газоперекачивающего агрегата (ГПА), снижения расхода топливного газа и сокращения вредных выбросов в атмосферу.The utility model relates to the field of the gas industry, in particular, to compressor stations (CS) of the main gas pipeline (MG) and can be used to increase the capacity of a gas pumping unit (GPU), reduce fuel gas consumption and reduce harmful emissions into the atmosphere.

Известна ГТУ, в которой в качестве рабочего тела используется сжатый воздух, поступающий из осевого компрессора. Данное устройство, несмотря на то, что является стандартизованным и общепринятым в газовой промышленности и в других отраслях, связанных с применением газотурбинных технологий, имеет большой потенциал для модернизации и ресурсосбережения за счет различных вариантов форсирования мощности без принципиальных конструктивных изменений и нарушений теплового и энергетического балансов ГТУ (Суринович В.К., Борщенко Л.И. Машинист технологических компрессоров / Учебник для учащихся профтехобразования и рабочих на производстве - М.: Недра, 1986. С. 28).GTU is known, in which compressed air coming from an axial compressor is used as a working fluid. This device, despite the fact that it is standardized and generally accepted in the gas industry and in other industries related to the use of gas turbine technologies, has great potential for modernization and resource saving due to various options for boosting power without fundamental design changes and violations of the thermal and energy balances of gas turbines (Surinovich V.K., Borschenko L.I. Machinist of technological compressors / Textbook for students of vocational education and workers in production - M .: Nedra, 1986. P. 28).

Недостатком устройства является то, что сжатый в осевом компрессоре воздух имеет низкую теплоемкость (более чем в 4 раза ниже теплоемкости воды), влияющую на неоптимальное распределение температурных градиентов в контуре ГТУ и снижение ресурса работы основного оборудования, непосредственно связанного с бесперебойным транспортом газа.The disadvantage of this device is that the air compressed in the axial compressor has a low heat capacity (more than 4 times lower than the heat capacity of water), which affects the non-optimal distribution of temperature gradients in the gas turbine circuit and a decrease in the life of the main equipment directly associated with uninterrupted gas transport.

Наиболее близким устройством (прототипом) является ГТУ, в контур которой осуществляют впрыск смеси активатора горения - пероксида водорода и воды для уменьшения затрат на сжатие воздуха и повышения КПД. При этом удается увеличить ресурс работы ГТУ и одновременно понизить содержание оксидов углерода и азота в выбросах (Патент РФ 2517995, F02C. Газотурбинная установка с впрыском жидкости в контур ГТУ / Иванов А.А., Ермаков А.Н. - Патентообладатель: Учреждение Российской Академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН; опубл. 27.06.2013).The closest device (prototype) is a gas turbine unit, into the circuit of which they inject a mixture of a combustion activator - hydrogen peroxide and water to reduce the cost of compressing air and increase efficiency. At the same time, it is possible to increase the service life of gas turbines and at the same time reduce the content of carbon and nitrogen oxides in emissions (RF Patent 2517995, F02C. Gas turbine unit with liquid injection into the gas turbine circuit / Ivanov A.A., Ermakov A.N. - Patentee: Establishment of the Russian Academy of Sciences Sciences Institute of Energy Problems of Chemical Physics RAS; publ. 06/27/2013).

Недостатком прототипа является невысокий по сравнению с предлагаемым одноатомным спиртом метанолом показатель удельной теплоемкости пероксида водорода и его кислотные свойства, которые он как окислитель проявляет при воздействии на металлоконструкции, ускоряя их коррозионное разрушение.The disadvantage of the prototype is the low in comparison with the proposed monohydric alcohol methanol, the specific heat of hydrogen peroxide and its acid properties, which it displays as an oxidizing agent when exposed to metal structures, accelerating their corrosion damage.

Задачей полезной модели является создание нового устройства - газотурбинной установки с достижением следующего технического результата: увеличение мощности ГТУ и снижение токсичных выбросов в атмосферу за счет обеспечения полноты сгорания природного газа.The objective of the utility model is to create a new device - a gas turbine unit with the following technical result: increasing the capacity of gas turbines and reducing toxic emissions into the atmosphere by ensuring the completeness of natural gas combustion.

Технический результат достигается тем, что газотурбинная установка, включающая пусковой турбодетандер, осевой воздушный компрессор с рабочими лопатками, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления с валоповоротным устройством, системы смазки, регулирования, защиты и управления, промежуточный вал для передачи крутящего момента центробежному компрессору для компримирования природного газа, узел подачи, узел смешения и узел впрыска активатора горения, согласно полезной модели содержит узлы предварительного и основного нагрева активатора горения для подачи активатора горения в камеру сгорания через узел смешения, узел подачи, узел предварительного нагрева, узел основного нагрева и узел впрыска.The technical result is achieved by the fact that a gas turbine installation, including a starting turbine expander, an axial air compressor with rotor blades, a combustion chamber, high and low pressure turbines with a shaft rotary device, a lubrication system, regulation, protection and control, an intermediate shaft for transmitting torque to a centrifugal compressor for of natural gas compression, the supply unit, the mixing unit and the injection unit of the combustion activator, according to the utility model, comprise preliminary and main heating units Activator Activator for supplying combustion combustion in the combustion chamber via the mixing unit, conveying unit, the preheating unit, the heating unit and the main injection unit.

При этом в качестве активатора горения используют метанол, легко диссоциирующий при повышенных температурах с образованием гидроксильных анионов (ОН)^-, а в качестве растворителя используют отфильтрованную дождевую воду, которая является одной из форм атмосферных осадков и по сравнению с другими источниками (поверхностными, родниковыми, пластовыми) имеет гораздо меньше загрязняющих и накипеобразующих веществ в силу того, что получена она из водяного пара в атмосферных слоях без соприкосновения с почвой, содержащей соли и минералы.At the same time, methanol is used as a combustion activator, which easily dissociates at elevated temperatures with the formation of hydroxyl anions (OH) ^- , and filtered rain water is used as a solvent, which is a form of precipitation compared to other sources (surface, spring, reservoir) has much less polluting and scale-forming substances due to the fact that it is obtained from water vapor in atmospheric layers without contact with soil containing salts and minerals.

На фигуре представлена принципиальная схема ГТУ.The figure shows a schematic diagram of a gas turbine.

Газотурбинная установка (ГТУ) содержит в своем составе пусковой турбодетандер 1, осевой воздушный компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4 высокого давления и турбину 5 низкого давления (пунктиром показана альтернативная двухкаскадная компоновка ГТУ) служащие для передачи крутящего момента через промежуточный вал 6 центробежному компрессору 7 для компримирования природного газа, узел 8 впрыска, узел 9 основного нагрева, узел 10 предварительного нагрева, узел 11 подачи смеси, узел 12 смешения.A gas turbine installation (GTU) includes a starting turbine expander 1, an axial air compressor 2, a combustion chamber 3, a high pressure turbine 4 and a low pressure turbine 5 (the dotted line shows an alternative two-stage GTU layout) used to transmit torque through an intermediate shaft 6 to a centrifugal compressor 7 for compressing natural gas, injection unit 8, main heating unit 9, preheating unit 10, mixture supply unit 11, mixing unit 12.

На фигуре также условно обозначены: атмосфера I, сжатый воздух II, топливный газ III, продукты сгорания IV, выхлопные газы V, дождевая вода VI, пусковой газ VII, воздух VIII, активатор горения IX, атмосфера X.The figure also conventionally designated: atmosphere I, compressed air II, fuel gas III, combustion products IV, exhaust gases V, rainwater VI, starting gas VII, air VIII, combustion activator IX, atmosphere X.

ГТУ работает следующим образом.GTU works as follows.

Воздух VIII всасывается в осевой воздушный компрессор 2 сначала с помощью пускового турбодетандера 1, а затем, когда произойдет зажигание, посредством турбины 4 высокого давления, которая соединена валом с ротором осевого воздушного компрессора 2. При пуске в турбодетандер 1 подается пусковой газ VII, который расширяясь, совершает полезную работу, вращая вал ГТУ, после чего он отводится в атмосферу I. Сжатый воздух II, поступающий из осевого воздушного компрессора 2, подается в камеру сгорания 3, в камеру сгорания 3 также подается топливный газ III. Топливовоздушная смесь поджигается высоковольтной искрой, после чего сгорание будет продолжаться непрерывно. После требуемого прогрева и выхода на номинальный режим работы ГТУ в камеру сгорания 3 через узел 12 смешения, узел 11 подачи, узел 10 предварительного нагрева, узел 9 основного нагрева и узел 8 впрыска подается 10%-ый раствор активатора горения IX в дождевой воде VI. Активатор горения - метанол, за счет способности образовывать гидроксильные анионы (ОН)^- ускоряет и углубляет процесс сгорания топливного газа. Гидроксильные ионы, способные быстро доокислять продукты неполного сгорания природного газа до СО₂, позволяют обеспечить оптимальный изотермический режим эффективной работы турбин. Продукты сгорания IV расширяются через турбину 4 высокого давления, которая отбирают у них энергию, достаточную для вращения ротора осевого воздушного компрессора 2 (примерно 60% от полной полезной энергии), а остальной поток газа поступает в турбину 5 низкого давления, которая в свою очередь приводит во вращение через вал 6 центробежный компрессор 7, в котором происходит компримирование природного газа. Выхлопные газы V перед выходом в атмосферу X совершают полезную работу по предварительному нагреву водного раствора активатора горения в узле 10 предварительного нагрева. В узле 9 основного подогрева для регулирования температуры подаваемого раствора используется индукционный подогреватель.Air VIII is sucked into the axial air compressor 2, first with the aid of a starting turbine expander 1, and then, when ignition occurs, by means of a high pressure turbine 4, which is connected by a shaft to the rotor of the axial air compressor 2. When starting, a starting gas VII is fed into the turboexpander 1, which expands performs useful work by rotating the gas turbine shaft, after which it is vented to atmosphere I. Compressed air II coming from the axial air compressor 2 is supplied to the combustion chamber 3, fuel gas III is also supplied to the combustion chamber 3. The air-fuel mixture is ignited by a high-voltage spark, after which combustion will continue continuously. After the required heating and reaching the nominal operating mode of the gas turbine unit, a 10% solution of combustion activator IX in rainwater VI is supplied to the combustion chamber 3 through the mixing unit 12, the supply unit 11, the preheating unit 10, the main heating unit 9 and the injection unit 8. The combustion activator - methanol, due to the ability to form hydroxyl anions (OH) ^- accelerates and deepens the process of combustion of fuel gas. Hydroxyl ions, capable of quickly oxidizing the products of incomplete combustion of natural gas to CO ₂ , make it possible to ensure the optimal isothermal mode of efficient operation of turbines. Combustion products IV expand through a high pressure turbine 4, which takes away enough energy from them to rotate the rotor of the axial air compressor 2 (approximately 60% of the total useful energy), and the rest of the gas stream enters the low pressure turbine 5, which in turn leads in rotation through the shaft 6, a centrifugal compressor 7, in which the compression of natural gas occurs. The exhaust gases V before entering the atmosphere X do a useful job of preheating the aqueous solution of the combustion activator in the preheating unit 10. In node 9 of the main heater, an induction heater is used to control the temperature of the supplied solution.

Пример. Для запуска пускового турбодетандера 1 осуществляют подачу природного газа VII из системы подготовки топливного и пускового газа (КС-19 «Шаран»), Осевым воздушным компрессором 2 осуществляют всас VIII и подачу сжатого воздуха II в камеру сгорания 3. Топливный газ III в камеру 3 сгорания подают из системы подготовки топливного и пускового газа КС. После требуемого прогрева и выхода на номинальный режим работы ГТУ в камеру сгорания 3 через узел 12 смешения, узел 11 подачи, узел 10 предварительного нагрева, узел 9 основного нагрева и узел 8 впрыска подается 10%-ый раствор активатора горения IX в дождевой воде VI. Активатор горения - метанол, за счет способности образовывать гидроксильные анионы (ОН)^- ускоряет и углубляет процесс сгорания топливного газа. Гидроксильные ионы, способные быстро доокислять продукты неполного сгорания природного газа до СO₂, позволяют обеспечить оптимальный изотермический режим эффективной работы турбин. Продукты сгорания IV совершают полезную работу, обеспечивая вращение турбин высокого 4 и низкого 5 давления для передачи крутящего момента через промежуточный вал 6 центробежному компрессору 7 и компримирования природного газа. Выхлопные газы V перед выходом в атмосферу X совершают полезную работу по предварительному нагреву водного раствора активатора горения IX в узле 10 предварительного нагрева 10. В узле 9 основного подогрева для регулирования температуры подаваемого раствора используется индукционный подогреватель.Example. To start the starting turbine expander 1, natural gas VII is supplied from the fuel and starting gas preparation system (KS-19 "Sharan"), Axial air compressor 2 is used to suction VIII and supply compressed air II to the combustion chamber 3. Fuel gas III to the combustion chamber 3 served from the fuel and start-up gas preparation system KS. After the required heating and reaching the nominal operating mode of the gas turbine unit, a 10% solution of combustion activator IX in rainwater VI is supplied to the combustion chamber 3 through the mixing unit 12, the supply unit 11, the preheating unit 10, the main heating unit 9 and the injection unit 8. The combustion activator - methanol, due to the ability to form hydroxyl anions (OH) ^- accelerates and deepens the process of combustion of fuel gas. Hydroxyl ions are capable of quickly dookislyat incomplete combustion products of natural gas to CO ₂ allows to provide optimum isothermal mode of operation effective turbines. Combustion products IV perform useful work by rotating the high 4 and low 5 pressure turbines to transmit torque through the intermediate shaft 6 to the centrifugal compressor 7 and compressing the natural gas. The exhaust gases V, before entering the atmosphere X, do useful work of preheating the aqueous solution of the combustion activator IX in the preheating unit 10. In the main preheating unit 9, an induction heater is used to control the temperature of the supplied solution.

Предложенная полезная модель позволяет рационально использовать ресурсы природного газа, при этом не требует крупных финансовых затрат для внедрения, удешевляет себестоимость товарного газа и не наносит вреда экологии.The proposed utility model allows the rational use of natural gas resources, while it does not require large financial costs for implementation, reduces the cost of commodity gas and does not harm the environment.

Полезная модель может найти широкое применение в газовой промышленности при эксплуатации основного оборудования КС.The utility model can be widely used in the gas industry in the operation of the main equipment of the compressor station.

Claims

Gas turbine installation, including a starting turbine expander, an axial air compressor with rotor blades, a combustion chamber, high and low pressure turbines with a shaft rotary device, lubrication, regulation, protection and control systems, an intermediate shaft for transmitting torque to a centrifugal compressor for compressing natural gas, a feed unit , a mixing unit and an injection unit of a combustion activator, characterized in that the installation comprises units of preliminary and main heating of the combustion activator for supplying an asset a combustion atom to the combustion chamber through the mixing unit, the supply unit, the preheating unit, the main heating unit and the injection unit.