Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2386818C2 - Gas turbogenerator - Google Patents

Gas turbogenerator Download PDF

Info

Publication number
RU2386818C2
RU2386818C2 RU2008141808/06A RU2008141808A RU2386818C2 RU 2386818 C2 RU2386818 C2 RU 2386818C2 RU 2008141808/06 A RU2008141808/06 A RU 2008141808/06A RU 2008141808 A RU2008141808 A RU 2008141808A RU 2386818 C2 RU2386818 C2 RU 2386818C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
housing
module
gas
inlet
cavity
Prior art date
Application number
RU2008141808/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008141808A (en
Inventor
Валерий Игнатьевич Гуров (RU)
Валерий Игнатьевич Гуров
Константин Никодимович Шестаков (RU)
Константин Никодимович Шестаков
Александр Николаевич Князев (RU)
Александр Николаевич Князев
Вячеслав Васильевич Кулаков (RU)
Вячеслав Васильевич Кулаков
Александр Федорович Куфтов (RU)
Александр Федорович Куфтов
Анатолий Александрович Арзамасцев (RU)
Анатолий Александрович Арзамасцев
Original Assignee
Валерий Игнатьевич Гуров
Константин Никодимович Шестаков
Александр Николаевич Князев
Вячеслав Васильевич Кулаков
Александр Федорович Куфтов
Анатолий Александрович Арзамасцев
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 Валерий Игнатьевич Гуров, Константин Никодимович Шестаков, Александр Николаевич Князев, Вячеслав Васильевич Кулаков, Александр Федорович Куфтов, Анатолий Александрович Арзамасцев filed Critical Валерий Игнатьевич Гуров
Priority to RU2008141808/06A priority Critical patent/RU2386818C2/en
Publication of RU2008141808A publication Critical patent/RU2008141808A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2386818C2 publication Critical patent/RU2386818C2/en

Links

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: gas generator is intended for recovery of potential excess energy of natural gas pressure in main pipelines and comprises tight housing with covers, turbine, electric generator, bushes, inlet and outlet branch pipes. Housing has through chamber with inlet and outlet on opposite sides. Turbine and electric generator are linked up and arranged inside said housing. Covers are arranged at the housing chamber inlet and outlet. Inlet branch pipe is arranged on housing chamber inlet cover. Bushes are arranged on the housing and coupled with electric generator. Gas turbogenerator additionally comprises regulator, gate and heater. Turbine, electric generator, housing with bushes, outlet branch pipe and gate are integrated into a module. Gas turbogenerator comprises also at least two modules with their housings interconnected so that cover on inlet into first module housing, while cover on outlet from the chamber is arranged on the last module housing to form tight chamber of modules. Regulator is arranged on inlet branch pipe located on the chamber inlet cover. Every gate is arranged on separate module housing via outlet branch pipe. Heater is located behind the last module gate, connected thereto.
EFFECT: higher efficiency.
7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для утилизации потенциальной избыточной энергии давления природного газа (ПГ) при установке его в систему трубопроводов между магистралями высокого и низкого давления с выработкой электроэнергии. Известна тенденция по замене редукторов давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) на установки с турбодетандерами для получения электроэнергии за счет использования перепада давления на ГРС или ГРП, величина которого может достигать 5 МПа.The invention relates to devices for utilization of potential excess pressure energy of natural gas (GHG) when installing it in a piping system between high and low pressure pipelines with electricity generation. There is a known tendency to replace pressure reducers at gas distribution stations (gas distribution stations) and gas control stations (gas distribution stations) with turbine expanders to generate electricity through the use of differential pressure on gas distribution stations or hydraulic fracturing, the value of which can reach 5 MPa.

Одна из таких установок, принятая в качестве аналога, описана в книге «Энергосберегающие турбодетандерные установки», Степанец А.А., Москва, Недра, 1999 г., с.11, где турбодетандер соединен с электрогенератором через механический редуктор. В результате снижение давления ПГ в турбодетандере дает положительный эффект - электрическую энергию за счет мощности, генерируемой турбодетандером. Недостатком этого технического решения является применение механического редуктора, который снижает эффективность выработки электроэнергии и снижает надежность работы установки.One of these installations, adopted as an analogue, is described in the book “Energy-saving turbo-expander units”, Stepanets AA, Moscow, Nedra, 1999, p.11, where the turbo-expander is connected to the electric generator through a mechanical gearbox. As a result, a decrease in the GHG pressure in the turboexpander gives a positive effect - electric energy due to the power generated by the turboexpander. The disadvantage of this technical solution is the use of a mechanical gearbox, which reduces the efficiency of power generation and reduces the reliability of the installation.

Для исключения этих недостатков в другом аналоге («Турбодетандерная установка», патент на изобретение RU 2317430 С1, МКП F02C 7/28 от 09.06.2006) применение механического редуктора исключено за счет использования высокоскоростного электрогенератора. Кроме того, эффективность работы установки повышена за счет применения магнитных подшипников и эффективной утилизации внешних утечек ПГ. Однако при отсутствии необходимости нагрева ПГ перед турбодетандером наличие внешних утечек снижает эффективность выработки электроэнергии. Нагрев ПГ с помощью теплообменника также уменьшает надежность и экологические показатели установки.To eliminate these shortcomings in another analogue (Turbo expander installation, patent for invention RU 2317430 C1, MKP F02C 7/28 of 06/09/2006) the use of a mechanical gearbox is excluded due to the use of a high-speed electric generator. In addition, the operation efficiency of the installation is enhanced by the use of magnetic bearings and the efficient disposal of external GHG leaks. However, in the absence of the need to heat the GHG in front of the expander, the presence of external leaks reduces the efficiency of power generation. GHG heating with a heat exchanger also reduces the reliability and environmental performance of the installation.

Известен «Газотурбогенератор», по патенту RU 2151971 С1, МКП 7 F25B 11/00 от 30.10.1997, принятый за прототип. Газотурбогенератор содержит входное устройство с патрубком, герметичный корпус с крышками с размещенными в нем турбиной и электрогенератором, механически связанными между собой валом. Здесь корпус имеет проходные изоляторы, соединенные с электрогенератором, и снабжен выходным патрубком, причем газотурбогенератор установлен между магистралями высокого и низкого давления.The well-known "Gas turbine generator", according to patent RU 2151971 C1, MCP 7 F25B 11/00 from 10/30/1997, adopted as a prototype. The gas turbine generator comprises an input device with a nozzle, a sealed housing with covers with a turbine and an electric generator placed therein, mechanically connected by a shaft. Here, the housing has bushing insulators connected to the electric generator and is equipped with an outlet pipe, the gas turbine generator being installed between the high and low pressure lines.

Использование герметичной камеры, в которой расположены турбина и электрогенератор, полностью исключает внешние утечки ПГ через уплотнение по валу турбины. Работа газотурбогенератора по прототипу осуществляется следующим образом. Газ высокого давления поступает в герметичную камеру, проходит через турбину, где понижается его давление и температура, обтекает электрогенератор, охлаждает его и выходит из камеры. Вырабатываемая при этом турбиной механическая энергия трансформируется в электрогенераторе в электрическую энергию.The use of a sealed chamber in which the turbine and the electric generator are located completely eliminates external GHG leaks through the seal along the turbine shaft. The operation of the gas turbine prototype is as follows. High pressure gas enters the sealed chamber, passes through the turbine, where its pressure and temperature decreases, flows around the generator, cools it and leaves the chamber. The mechanical energy generated by the turbine is transformed into electrical energy in the generator.

Недостатком технического решения по прототипу является узкий диапазон перепада давлений, при котором эффективно может работать турбина из-за:The disadvantage of the technical solution for the prototype is a narrow pressure differential range at which the turbine can operate efficiently due to:

- недопустимо низкого снижения уровня температуры ПГ в магистрали низкого давления при увеличенных перепадах давления;- unacceptably low reduction in the temperature of the GHG in the low-pressure line with increased pressure drops;

- невозможности эффективного использования высоких перепадов давления в одной турбине.- the impossibility of the effective use of high pressure drops in one turbine.

Технической задачей заявляемого решения является эффективное использование утилизации потенциальной избыточной энергии давления природного газа с высокими экологическими показателями и высокой надежностью во всем применяемом в системах трубопроводов ПГ диапазоне давлений.The technical task of the proposed solution is the efficient use of the utilization of potential excess pressure energy of natural gas with high environmental performance and high reliability in the entire pressure range used in NG piping systems.

Поставленная задача решается тем, что газотурбогенератор содержит герметичный корпус с крышками, турбину, электрогенератор, проходные изоляторы, входной и выходной патрубки. Корпус имеет сквозную полость, снабженную входом и выходом с противоположных сторон. Турбина и электрогенератор механически связаны между собой и размещены в полости корпуса. Крышки расположены на входе и выходе полости корпуса. Входной патрубок размещен на крышке входа в полость корпуса. Проходные изоляторы установлены на корпусе и соединены с электрогенератором.The problem is solved in that the gas turbine generator contains a sealed enclosure with covers, a turbine, an electric generator, bushing insulators, inlet and outlet pipes. The housing has a through cavity provided with an entrance and an exit from opposite sides. The turbine and the electric generator are mechanically interconnected and placed in the body cavity. The covers are located at the inlet and outlet of the body cavity. The inlet pipe is located on the cover of the entrance to the cavity of the housing. Bushing insulators are mounted on the housing and connected to an electric generator.

В соответствии с изобретением газотурбогенератор дополнительно включает регулятор, кран, агрегат нагрева. Турбина, электрогенератор, корпус с проходными изоляторами, выходной патрубок и кран объединены в модуль. Газотурбогенератор содержит, по крайней мере, два модуля, последовательно сопряженные корпусами между собой. Крышка входа в полость установлена на корпусе первого модуля, а крышка выхода из полости установлена на корпусе последнего модуля с образованием объединенной герметичной полости модулей. Регулятор установлен на входном патрубке, который размещен на крышке входа в полость. Каждый кран установлен на корпусе отдельного модуля через выходной патрубок. За краном последнего модуля последовательно подключен агрегат нагрева.In accordance with the invention, the gas turbine generator further includes a regulator, a tap, a heating unit. A turbine, an electric generator, a housing with bushing insulators, an outlet pipe and a crane are combined into a module. The gas turbine generator contains at least two modules sequentially interconnected by bodies. The cavity entry cover is mounted on the housing of the first module, and the cavity exit cover is mounted on the housing of the last module to form a joint sealed cavity of the modules. The regulator is installed on the inlet pipe, which is located on the lid of the entrance to the cavity. Each crane is mounted on the housing of a separate module through the outlet pipe. Behind the tap of the last module, the heating unit is connected in series.

Использование регулятора и кранов позволяет устанавливать оптимальный режим работы турбин в условиях изменяющихся параметров газа магистралей высокого и низкого давлений. Наличие кранов позволяет также изменять количество работающих модулей в зависимости от требований потребителей.Using a regulator and cranes allows you to set the optimal mode of operation of the turbines in conditions of changing gas parameters of high and low pressure lines. The presence of cranes also allows you to change the number of working modules depending on the requirements of consumers.

Применение агрегата нагрева газа на последнем модуле при наличии более чем одного модуля позволяет использовать изобретение в трубопроводных системах с высокими перепадами давлений, где температура газа за турбинами понижается до недопустимо низких для потребителей значений.The use of a gas heating unit on the last module with more than one module allows the invention to be used in pipeline systems with high pressure drops, where the temperature of the gas behind the turbines decreases to unacceptably low values for consumers.

Объединение турбины, электрогенератора, корпуса с проходными изоляторами, выходного патрубка и крана в модуль, введение дополнительно одного или нескольких модулей позволяет расширить область возможного эффективного применения изобретения на трубопроводные системы с большими перепадами давления между магистралями высокого и низкого давления за счет повышения экономичности турбин с помощью более оптимального распределения перепада давлений между ними.The combination of a turbine, an electric generator, a housing with bushing insulators, an outlet pipe and a valve in a module, the introduction of an additional one or several modules allows us to expand the field of possible effective application of the invention to pipeline systems with large pressure drops between high and low pressure lines by increasing the efficiency of turbines with more optimal distribution of the differential pressure between them.

Это позволяет эффективно утилизировать потенциальную избыточную энергию давления природного газа с высокими экологическими показателями и высокой надежностью во всем применяемом в системах распределения ПГ диапазоне давлений.This allows you to effectively utilize the potential excess pressure energy of natural gas with high environmental performance and high reliability over the entire pressure range used in GHG distribution systems.

Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.The development and refinement of the above set of essential features is given below.

Электрогенератор модуля может быть снабжен преобразователем частоты, расположенным вне корпуса. Это позволяет использовать вырабатываемую электроэнергию не только для внутреннего потребления, но и направлять ее во внешнюю сеть.The module’s generator can be equipped with a frequency converter located outside the housing. This allows you to use the generated electricity not only for domestic consumption, but also send it to an external network.

Агрегат нагрева может содержать воздушный компрессор и устройство частичного сжигания и внутреннего подогрева газа. Использование такой конструкции агрегата нагрева позволяет обеспечить внутренний, экологически чистый, подогрев газа в магистрали низкого давления и уменьшить потери энергии на его нагрев.The heating unit may include an air compressor and a device for partial combustion and internal heating of the gas. Using this design of the heating unit allows you to provide internal, environmentally friendly, gas heating in the low pressure line and reduce energy loss for its heating.

Турбина может быть выполнена, по меньшей мере, одноступенчатой и содержать парциальный сопловой аппарат. Такая конструкция турбины позволяет настроить турбину на заданный расход при изменяющемся давлении газа в магистрали высокого давления и тем самым обеспечить ее эффективную работу во всем применяемом в системах распределения ПГ диапазоне давлений.The turbine may be made at least one stage and contain a partial nozzle apparatus. This design of the turbine allows you to configure the turbine at a given flow rate with a changing gas pressure in the high-pressure line and thereby ensure its effective operation in the entire pressure range used in GHG distribution systems.

Турбины разных модулей могут иметь сопловые аппараты разной степени парциальности. Установка степени парциальности разной величины в разных сопловых аппаратах позволяет обеспечить максимальную эффективность турбины каждого модуля.Turbines of different modules can have nozzle devices of varying degrees of partiality. Setting the degree of partiality of different sizes in different nozzle devices allows for maximum efficiency of the turbine of each module.

Возможно выполнение рабочих колес турбин из композиционного материала, например из стеклопластика. Применение композиционного материала для изготовления рабочих колес турбин позволяет существенно уменьшить их массу, а следовательно, уменьшить динамические нагрузки и усилия на подшипники, что увеличивает ресурс работы агрегата.It is possible to make turbine impellers made of composite material, for example, fiberglass. The use of composite material for the manufacture of turbine impellers can significantly reduce their mass, and therefore, reduce dynamic loads and forces on bearings, which increases the life of the unit.

Возможно выполнение корпусов модулей из композиционного материала. Использование композиционного материала для изготовления корпусов модулей позволяет при тех же запасах прочности существенно уменьшить толщину стенок и соответственно снизить их массу и материалоемкость.It is possible to make module housings of composite material. The use of composite material for the manufacture of module housings allows for the same strength margins to significantly reduce wall thickness and, accordingly, reduce their weight and material consumption.

Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего описания газотурбогенератора со ссылкой на прилагаемую схему.The present invention will be more clear after considering the following description of a gas turbine generator with reference to the attached diagram.

Газотурбогенератор содержит герметичный корпус 1 с крышками 2 и 3, турбину 4, электрогенератор 5, проходные изоляторы 6, входной патрубок 7 и выходной патрубок 8. Корпус 1 имеет сквозную полость 9, снабженную входом и выходом с противоположных сторон. Турбина 4 и электрогенератор 5 механически связаны между собой, например, валом и размещены в полости 9 корпуса 1. Крышки 2 и 3 расположены соответственно на входе и выходе полости 9 корпуса 1. Входной патрубок 7 размещен на крышке 2 входа в полость 9 корпуса 1. Проходные изоляторы 6 установлены на корпусе 1 и электрически соединены с электрогенератором 5.The gas turbine generator comprises a sealed housing 1 with covers 2 and 3, a turbine 4, an electric generator 5, bushing insulators 6, an inlet pipe 7 and an outlet pipe 8. The housing 1 has a through cavity 9 provided with an input and an output from opposite sides. The turbine 4 and the electric generator 5 are mechanically interconnected, for example, by a shaft and placed in the cavity 9 of the housing 1. The caps 2 and 3 are located respectively at the inlet and outlet of the cavity 9 of the housing 1. The inlet pipe 7 is located on the cover 2 of the entrance to the cavity 9 of the housing 1. Feedthrough insulators 6 are installed on the housing 1 and are electrically connected to the electric generator 5.

Газотурбогенератор дополнительно включает регулятор 10, кран 11, агрегат нагрева 12. Турбина 4, электрогенератор 5, корпус 1 с проходными изоляторами 6, выходной патрубок 8 и кран 11 объединены в модуль 13. Газотурбогенератор содержит два модуля 13, последовательно сопряженные корпусами 1 между собой. Крышка 2 входа в полость 9 установлена на корпусе 1 первого модуля 13. Крышка 3 выхода из полости 9 установлена на корпусе 1 последнего модуля 13 с образованием объединенной герметичной полости 9 модулей 13. Регулятор 10 установлен на входном патрубке 7, который размещен на крышке 2 входа в полость 9. Каждый кран 11 установлен на корпусе 1 отдельного модуля 13 через выходной патрубок 8. За краном 11 последнего модуля 13 последовательно подключен агрегат нагрева 12.The gas turbine generator additionally includes a regulator 10, a valve 11, a heating unit 12. A turbine 4, an electric generator 5, a housing 1 with bushing 6, an outlet pipe 8 and a valve 11 are combined into a module 13. The gas turbine generator contains two modules 13, interconnected by the bodies 1 in series. The cover 2 of the entrance to the cavity 9 is installed on the housing 1 of the first module 13. The cover 3 of the exit from the cavity 9 is installed on the housing 1 of the last module 13 with the formation of the joint sealed cavity 9 of the modules 13. The controller 10 is installed on the inlet pipe 7, which is located on the cover 2 of the entrance in the cavity 9. Each valve 11 is mounted on the housing 1 of a separate module 13 through the outlet pipe 8. Behind the valve 11 of the last module 13, a heating unit 12 is connected in series.

Электрогенератор 5 модуля 13 может быть снабжен преобразователем частоты 14, расположенным вне корпуса 1.The generator 5 of the module 13 may be equipped with a frequency converter 14 located outside the housing 1.

Агрегат нагрева 12 может содержать воздушный компрессор 15 и устройство 16 частичного сжигания газа.The heating unit 12 may include an air compressor 15 and a device 16 for partial combustion of gas.

Турбина 4 модуля 13 выполнена, по меньшей мере, одноступенчатой и содержит парциальный сопловой аппарат 17.The turbine 4 of the module 13 is made at least one-stage and contains a partial nozzle apparatus 17.

Турбины 4 разных модулей 13 могут иметь сопловые аппараты 17 с разной степенью парциальности.Turbines 4 of different modules 13 may have nozzle devices 17 with varying degrees of partiality.

Рабочие колеса 18 турбин 4 могут быть выполнены из композиционного материала, например из стеклопластика.The impellers 18 of the turbines 4 can be made of composite material, for example, fiberglass.

Корпуса 1 выполнены из композиционного материала.Housings 1 are made of composite material.

При установке в систему трубопроводов входной патрубок 7 первого модуля 13 через регулятор 10 соединен с магистралью высокого давления природного газа. Выходные патрубки 8 модулей 13 через краны 11 и последнего модуля 13 через кран 11 и агрегат нагрева 12 соединены с магистралью низкого давления природного газа.When installed in the piping system, the inlet pipe 7 of the first module 13 is connected through a regulator 10 to the high-pressure pipeline of natural gas. The outlet pipes 8 of the modules 13 through the taps 11 and the last module 13 through the valve 11 and the heating unit 12 are connected to the low-pressure pipeline of natural gas.

Газотурбогенератор, представленный на чертеже, работает следующим образом.The gas turbine generator shown in the drawing, operates as follows.

Природный газ из магистрали высокого давления через регулятор 10 и входной патрубок 7 подают в первый модуль 13, направляют через сопловой аппарат 17 в рабочее колесо 18 турбины 4, где газ расширяется, его давление и температура понижаются. Далее газ обтекает корпус электрогенератора 5 и охлаждает его. При этом турбиной 4 вырабатывается механическая энергия, преобразуемая в электрогенераторе 5 в электроэнергию, передаваемую через проходные изоляторы 6 в электрическую сеть (не показано).Natural gas from the high-pressure line through the regulator 10 and the inlet pipe 7 is fed into the first module 13, sent through the nozzle apparatus 17 to the impeller 18 of the turbine 4, where the gas expands, its pressure and temperature decrease. Next, the gas flows around the body of the generator 5 and cools it. In this case, the turbine 4 generates mechanical energy, which is converted in the electric generator 5 into electricity transmitted through bushing insulators 6 to the electric network (not shown).

Далее:Further:

- если необходима работа только одного модуля 13, то газ через выходной патрубок 8 и открытый кран 11 этого модуля (при закрытом кране 11 второго модуля) подают в магистраль низкого давления;- if only one module 13 is required, then gas is supplied to the low pressure line through the outlet pipe 8 and the open valve 11 of this module (with the valve 11 of the second module closed);

- в другом случае газ направляют во второй модуль 13 (при закрытом кране 11 первого модуля), откуда через выходной патрубок 8 и кран 11 второго модуля 13 газ подают в агрегат нагрева 12, где ПГ подогревается для обеспечения величины температуры газа заданного уровня и затем поступает в магистраль низкого давления.- in another case, the gas is sent to the second module 13 (with the valve 11 of the first module closed), from where, through the outlet pipe 8 and the valve 11 of the second module 13, gas is supplied to the heating unit 12, where the steam generator is heated to provide the gas temperature of a given level and then enters to the low pressure line.

Возможна подача электроэнергии от электрогенератора 5 во внешнюю электрическую сеть (не показано) через проходные изоляторы 6 и преобразователь частоты 14.It is possible to supply electricity from the generator 5 to an external electrical network (not shown) through bushing insulators 6 and a frequency converter 14.

В агрегате нагрева 12 газ, выходящий из крана 11, и сжатый воздух из воздушного компрессора 15 поступают в устройство частичного сжигания и внутреннего подогрева газа 16, где небольшая часть газа сгорает, а выделившееся при этом тепло подогревает всю массу газа и газ, выходящий из агрегата нагрева 12, имеет требуемую температуру.In the heating unit 12, the gas exiting from the valve 11 and the compressed air from the air compressor 15 enter the partial combustion and internal gas heating device 16, where a small part of the gas is burned, and the heat released during this process heats the entire mass of gas and the gas exiting the unit heating 12, has the desired temperature.

Целесообразность реализации предлагаемого газотурбогенератора подтверждена расчетным исследованием, при параметрах газа:The feasibility of the proposed gas turbine generator is confirmed by a calculation study, with gas parameters:

давление и температура в магистрали высокого давления - Рвх=4 МПа и Твх=280 К соответственно,pressure and temperature in the high-pressure line - P in = 4 MPa and T in = 280 K, respectively,

давление и температура в магистрали низкого давления - Рвых=1 МПа и Твых=263 К соответственно.pressure and temperature in the low-pressure line - P o = 1 MPa and T o = 263 K, respectively.

Мощность электрогенератора одного модуля - N=600 кВт и частота вращения ротора электрогенератора - n=3000 об/мин выбраны с учетом того, что имеется опытно-промышленный образец электрогенератора с такими параметрами, работающий в среде природного газа.The power of the generator of one module - N 1G = 600 kW and the rotational speed of the rotor of the generator - n = 3000 rpm are selected taking into account the fact that there is a pilot industrial sample of the generator with such parameters operating in a natural gas environment.

Степень понижения полного давления в ступени турбины выбирается на уровне

Figure 00000001
. Это вызвано тем, что числа Маха скоростей течения газа в каналах проточной части ступени при этом находятся еще на достаточно низком уровне (Мw≤0.5 - в рабочем колесе и МC≤0.7 - в сопловом аппарате), что позволяет без ухудшения экономичности использовать более простую технологию изготовления лопаток турбины. При таких значениях величины степени понижения полного давления ступени
Figure 00000001
без больших потерь кпд при частоте вращения ротора турбины, равной заданной частоте вращения электрогенератора n=3000 об/мин, можно обеспечить диаметральный габарит турбины (наружный диаметр проточной части турбины DT=0.62-0.65 м) близким диаметру промышленного электрогенератора мощностью 600 кВт, что позволяет минимизировать габарит и массу корпусов модулей.The degree of decrease in total pressure in the turbine stage is selected at the level
Figure 00000001
. This is because the Mach numbers of the gas flow rates in the channels of the flow part of the stage are still at a sufficiently low level (M w ≤0.5 - in the impeller and M C ≤0.7 - in the nozzle apparatus), which makes it possible to use more simple technology for making turbine blades. At such values of the degree of decrease in the total pressure of the stage
Figure 00000001
without large losses of efficiency at a rotational speed of the turbine rotor equal to a predetermined rotational speed of the generator n = 3000 rpm, it is possible to provide a diametrical dimension of the turbine (outer diameter of the turbine flow part D T = 0.62-0.65 m) close to the diameter of an industrial electric generator with a power of 600 kW, which allows to minimize the overall size and weight of the module cases.

Полное использование располагаемого перепада давлений газа требует применения четырех последовательно расположенных ступеней. Из конструктивных соображений располагать более 2-3-х ступеней на одном валу нежелательно, поэтому для принятых параметров выбрана двухмодульная схема, в которой турбина каждого модуля имеет две ступени, при этом расход газа через турбину с кпд, равным 0.65, составляет GT=11 кг/с.Full use of the available differential pressure of gas requires the use of four stages in series. For structural reasons, it is undesirable to have more than 2-3 stages on one shaft, therefore, for the adopted parameters, a two-module scheme was chosen in which the turbine of each module has two stages, while the gas flow through the turbine with an efficiency of 0.65 is G T = 11 kg / s

Температура природного газа за первой и второй турбинами соответственно равна Т2T=250 и 220 К. Однако из-за малого времени пребывания в проточной части турбины (ее длина ~0.15 м), не превышающего 0.003-0.005 с, обледенения проточной части, вызванного наличием паров воды в природном газе, не происходит.The temperature of natural gas behind the first and second turbines is respectively equal to T 2T = 250 and 220 K. However, due to the short residence time in the turbine flow part (its length ~ 0.15 m), not exceeding 0.003-0.005 s, the flow part is iced up due to the presence of water vapor in natural gas does not occur.

Для уменьшения отрицательного влияния на кпд утечек газа через радиальный зазор и предотвращения соответствующего его снижения сопловые аппараты ступеней выполнены парциальными со степенью парциальности ε=0.25 в турбине первого модуля и ε=0.5 - в турбине второго модуля; при этом углы лопастей рабочих колес имеют настолько близкие по величине размеры, что можно изготавливать лопасти рабочих колес всех ступеней единого профиля; это же относится и к профилям сопловых аппаратов. Такой подход позволяет делать конструкцию турбин более технологичной и дешевой.To reduce the negative effect of gas leaks through the radial clearance on the efficiency and prevent its corresponding reduction, the nozzle units of the steps were made partial with a degree of partiality ε = 0.25 in the turbine of the first module and ε = 0.5 in the turbine of the second module; the angles of the impeller blades are so close in size that it is possible to produce impeller blades of all stages of a single profile; the same applies to nozzle apparatus profiles. This approach allows you to make the design of the turbines more technological and cheaper.

Использование герметичной конструкции корпуса (герметичность его внутренней полости) позволяет существенно упростить конструкцию турбины за счет отказа от системы сложного концевого уплотнения по валу и/или системы сбора и полезного использования утечки газа через концевое уплотнение.The use of a sealed housing design (the tightness of its internal cavity) can significantly simplify the design of the turbine due to the abandonment of the complex end-seal system on the shaft and / or the system of collection and useful use of gas leakage through the end seal.

Оценим эффективность использования предлагаемой конструкции двухмодульного газотурбогенератора с суммарной мощностью 1200 кВт.Let us evaluate the efficiency of using the proposed design of a two-module gas turbine generator with a total capacity of 1200 kW.

На ГРС штатного типа с редуктором давления температура газа в результате дросселирования понижается от Твх=280 К до величины Твых=265 К (т.е. выше нижнего допустимого уровня, равного 263 К), вследствие чего надобность в подогреве газа отсутствует.On a standard type GDS with a pressure reducer, the gas temperature as a result of throttling decreases from T in = 280 K to T out = 265 K (i.e., above the lower permissible level of 263 K), as a result of which there is no need for gas heating.

В прототипе же нижний допустимый уровень температуры газа достигается при

Figure 00000002
и минимальное давление в магистрали низкого давления (сети потребителей) при Pвx=4 МПа должно быть не ниже Рвых=2.6-2.8 МПа. Это значительно снижает номенклатуру ГРС, где прототип мог бы использоваться.In the prototype, the lower acceptable level of gas temperature is achieved at
Figure 00000002
and the minimum pressure in the low-pressure line (consumer network) at P in = 4 MPa should not be lower than P out = 2.6-2.8 MPa. This significantly reduces the range of GDS, where the prototype could be used.

В заявляемом устройстве мощность с 1 кг природного газа по сравнению с прототипом может быть получена примерно вчетверо большей, но при этом должна быть затрачена мощность NK на привод компрессора 15 агрегата нагрева 12 и тепловая энергия Q от сгорания части природного газа.In the inventive device, a capacity of 1 kg of natural gas compared to the prototype can be obtained about four times as much, but at the same time, the power N K must be expended on the drive of the compressor 15 of the heating unit 12 and the heat energy Q from the combustion of part of the natural gas.

Потребное количество тепла для подогрева газа с расходом GT=11 кг/с от Т=220 К до Т=263 К при давлении Р=1 МПа равно Q=1055 кВт. Тепло к природному газу поступает с сжатым воздухом, выходящим из компрессора (QK=170 кВт) и от сгоревшего природного газа (QГ=885 кВт) с расходом GПГ=0.018 кг/с. Для этого нужно компрессором 15 подать воздух с расходом GB=0.4 кг/с и давлением Рвых=1 МПа.The required amount of heat for heating the gas with a flow rate of G T = 11 kg / s from T = 220 K to T = 263 K at a pressure of P = 1 MPa is Q = 1055 kW. Heat to natural gas comes with compressed air leaving the compressor (Q K = 170 kW) and from burnt natural gas (Q G = 885 kW) with a flow rate of G PG = 0.018 kg / s. To do this, you need to supply air with compressor 15 with a flow rate of G B = 0.4 kg / s and pressure P out = 1 MPa.

Компрессор на представленные параметры имеет степень повышения полного давления

Figure 00000003
, температура воздуха в нем повышается от 288 К до 646 К (при кпд компрессора, равном 0.75), при этом потребляемая им мощность равна NK=143 кВт.The compressor on the presented parameters has a degree of increase in total pressure
Figure 00000003
, the air temperature in it rises from 288 K to 646 K (with a compressor efficiency equal to 0.75), while the power consumed by it is N K = 143 kW.

Таким образом, внешними источниками энергии, используемыми для подогрева газа являются мощность компрессора NK=143 кВт и химическая энергия сгоревшего газа QГ=885 кВт. Учитывая, что отношение стоимостей тепловой и механической энергии составляет k≈0.3, механическая энергия, эквивалентная по стоимости тепловой энергии, затрачиваемой на подогрев газа, составит NП=QГ·k=885·0.3=265 кВт. Тогда «чистая» мощность, которую может дать двухмодульная установка составит:Thus, the external energy sources used to heat the gas are the compressor power N K = 143 kW and the chemical energy of the burnt gas Q G = 885 kW. Given that the ratio of the costs of thermal and mechanical energy is k≈0.3, the mechanical energy equivalent to the cost of the thermal energy spent on heating the gas will be N P = Q G · k = 885 · 0.3 = 265 kW. Then the “pure” power that a two-module installation can provide is:

Nэфф=2N-NП-NК=1200-265-143=792 кВт.N eff = 2N 1G -N P -N K = 1200-265-143 = 792 kW.

Если осуществлять внешний подогрев газа при помощи теплообменника с коэффициентом полезного действия η=60%, то величина эффективной мощности составитIf we carry out external gas heating using a heat exchanger with a coefficient of efficiency η = 60%, then the value of the effective power will be

Figure 00000004
Figure 00000004

т.е. меньше, чем при внутреннем подогреве газа. Необходимо также отметить, что используемый при внешнем подогреве теплообменник газо-газового типа работает при высокой температуре горячего газа, что существенно снижает ресурс его безотказной работы.those. less than with internal gas heating. It should also be noted that the gas-gas type heat exchanger used for external heating works at a high temperature of hot gas, which significantly reduces the life of its trouble-free operation.

Следует также отметить важность герметизации полости, в которой расположены турбины. Так, наличие утечки ПГ через уплотнения корпуса вовне в количестве 0.5% от расхода газа через турбину (GУТ=55 г/с) приведет к потере химической энергии ПГ (превращаемой в тепло) на величину ΔQ=GУТ·Нu=0.055·47300=2600 кДж/с, что эквивалентно по стоимости потере механической мощности на ΔN=ΔQ·k=2600·0.3=780 кВт. Следовательно, полупроцентная утечка ПГ приводит к тому, что величина «чистой» мощности установки становится практически нулевой.It should also be noted the importance of sealing the cavity in which the turbines are located. So, the presence of GHG leak through the body seals to the outside in an amount of 0.5% of the gas flow through the turbine (G UT = 55 g / s) will lead to the loss of the GHG chemical energy (converted into heat) by ΔQ = G UT · N u = 0.055 · 47300 = 2600 kJ / s, which is equivalent in cost to the loss of mechanical power by ΔN = ΔQ · k = 2600 · 0.3 = 780 kW. Consequently, a half-percent GHG leak leads to the fact that the value of the “clean” power of the installation becomes practically zero.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи эффективного использования потенциальной энергии ПГ с высокими экологическими показателями и высокой надежностью работы для всего практически применяемого перепада давлений в магистралях высокого и низкого давлений газа.Thus, the objectives of the invention have been solved for the efficient use of potential GHG energy with high environmental performance and high reliability for the entire practically used differential pressure in high and low gas pressure lines.

Claims (7)

1. Газотурбогенератор, содержащий герметичный корпус с крышками, турбину, электрогенератор, проходные изоляторы, входной и выходной патрубки, где корпус имеет сквозную полость, снабженную входом и выходом с противоположных сторон, турбина и электрогенератор механически связаны между собой и размещены в полости корпуса, крышки расположены на входе и выходе полости корпуса, причем входной патрубок размещен на крышке входа в полость корпуса, проходные изоляторы установлены на корпусе и соединены с электрогенератором, отличающийся тем, что газотурбогенератор дополнительно включает регулятор, кран, агрегат нагрева, при этом турбина, электрогенератор, корпус с проходными изоляторами, выходной патрубок и кран объединены в модуль, кроме того, газотурбогенератор содержит, по крайней мере, два модуля, последовательно сопряженных корпусами между собой, где крышка входа в полость установлена на корпусе первого модуля, а крышка выхода из полости установлена на корпусе последнего модуля с образованием объединенной герметичной полости модулей, причем регулятор установлен на входном патрубке, который размещен на крышке входа в полость, а каждый кран установлен на корпусе отдельного модуля через выходной патрубок, притом за краном последнего модуля последовательно подключен агрегат нагрева.1. A gas turbine generator comprising a sealed enclosure with covers, a turbine, an electric generator, bushing insulators, an inlet and an outlet pipe, where the enclosure has a through cavity provided with inlet and outlet from opposite sides, the turbine and an electric generator are mechanically interconnected and placed in the cavity of the enclosure, cover located at the inlet and outlet of the cavity of the housing, and the inlet pipe is placed on the cover of the entrance to the cavity of the housing, bushing insulators are installed on the housing and connected to an electric generator, characterized in that the gas turbine generator further includes a regulator, a valve, a heating unit, the turbine, an electric generator, a housing with bushing insulators, an outlet pipe and a valve combined into a module, in addition, the gas turbine generator contains at least two modules connected in series with each other, where the cover the entrance to the cavity is installed on the housing of the first module, and the cover of the exit from the cavity is installed on the housing of the last module with the formation of a joint sealed cavity of the modules, and the controller is installed on m pipe, which is located on the lid of the entrance to the cavity, and each valve is mounted on the housing of a separate module through the output pipe, moreover, the heating unit is connected in series behind the valve of the last module. 2. Газотурбогенератор по п.1, отличающийся тем, что электрогенератор модуля снабжен преобразователем частоты, расположенным вне корпуса.2. The gas turbine generator according to claim 1, characterized in that the module generator is equipped with a frequency converter located outside the housing. 3. Газотурбогенератор по п.1, отличающийся тем, что агрегат нагрева содержит воздушный компрессор и устройство частичного сжигания и внутреннего подогрева газа.3. The gas turbine generator according to claim 1, characterized in that the heating unit comprises an air compressor and a device for partial combustion and internal gas heating. 4. Газотурбогенератор по п.1, отличающийся тем, что турбина модуля выполнена, по меньшей мере, одноступенчатой и содержит парциальный сопловой аппарат.4. The gas turbine generator according to claim 1, characterized in that the module turbine is made at least one-stage and contains a partial nozzle apparatus. 5. Газотурбогенератор по п.4, отличающийся тем, что турбины разных модулей могут иметь сопловые аппараты с разной степенью парциальности.5. The gas turbine generator according to claim 4, characterized in that the turbines of different modules can have nozzle devices with varying degrees of partiality. 6. Газотурбогенератор по п.1, отличающийся тем, что рабочие колеса турбин выполнены из композиционного материала, например из стеклопластика.6. The gas turbine generator according to claim 1, characterized in that the turbine impellers are made of composite material, for example, fiberglass. 7. Газотурбогенератор по п.1, отличающийся тем, что корпуса выполнены из композиционного материала, например из стеклопластика. 7. The gas turbine generator according to claim 1, characterized in that the housing is made of composite material, for example, fiberglass.
RU2008141808/06A 2008-10-23 2008-10-23 Gas turbogenerator RU2386818C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141808/06A RU2386818C2 (en) 2008-10-23 2008-10-23 Gas turbogenerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141808/06A RU2386818C2 (en) 2008-10-23 2008-10-23 Gas turbogenerator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008141808A RU2008141808A (en) 2009-03-20
RU2386818C2 true RU2386818C2 (en) 2010-04-20

Family

ID=40544936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008141808/06A RU2386818C2 (en) 2008-10-23 2008-10-23 Gas turbogenerator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2386818C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2525042C1 (en) * 2013-06-10 2014-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Power generation plant
RU2554670C1 (en) * 2014-05-30 2015-06-27 Открытое акционерное общество "НОВАТЭК" Two-shaft gas-compressor unit for booster compressor stations
EA029423B1 (en) * 2015-08-04 2018-03-30 Республиканское Инновационное Унитарное Предприятие "Научно-Технологический Парк Бнту "Политехник" Plant for utilization of gaseous working body excessive pressure energy
RU195337U1 (en) * 2019-07-17 2020-01-23 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие - Техноавтомат" (ООО "НПП-Техноавтомат") TURBINE ASSEMBLY OF A DEVICE FOR REMOVING KINETIC ENERGY OF A FLUID
WO2021118398A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-17 Общество С Ограниченной Ответственностью "Аэрогаз" Turboexpander power unit
RU2771912C1 (en) * 2021-08-13 2022-05-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" Two-shaft gas compressor unit for booster compressor stations

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2525042C1 (en) * 2013-06-10 2014-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Power generation plant
RU2554670C1 (en) * 2014-05-30 2015-06-27 Открытое акционерное общество "НОВАТЭК" Two-shaft gas-compressor unit for booster compressor stations
EA029423B1 (en) * 2015-08-04 2018-03-30 Республиканское Инновационное Унитарное Предприятие "Научно-Технологический Парк Бнту "Политехник" Plant for utilization of gaseous working body excessive pressure energy
RU195337U1 (en) * 2019-07-17 2020-01-23 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие - Техноавтомат" (ООО "НПП-Техноавтомат") TURBINE ASSEMBLY OF A DEVICE FOR REMOVING KINETIC ENERGY OF A FLUID
WO2021118398A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-17 Общество С Ограниченной Ответственностью "Аэрогаз" Turboexpander power unit
RU2771912C1 (en) * 2021-08-13 2022-05-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" Two-shaft gas compressor unit for booster compressor stations

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008141808A (en) 2009-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2386818C2 (en) Gas turbogenerator
Bakalis et al. Optimization methodology of turbomachines for hybrid SOFC–GT applications
CN206785443U (en) A kind of high-pressure natural gas cogeneration distributed energy resource system
EP2891793A1 (en) Automatic system of wind and photovoltaic energy storage for uninterruptible electric energy output providing energy autonomy
Kaczmarczyk et al. Experimental study of a low-temperature micro-scale organic Rankine cycle system with the multi-stage radial-flow turbine for domestic applications
CN104612763A (en) Device for starting intermediate-pressure cylinder device by using neighbor turbine steam in unitized unit and starting method thereof
Benato et al. Dynamic performance of a combined gas turbine and air bottoming cycle plant for off-shore applications
RU2570296C1 (en) Regenerative gas turbine expander unit for compressor station
RU2564173C2 (en) Turbo-expander generator unit and system for energy take-off of natural gas flow from gas pipeline
RU117504U1 (en) NATURAL GAS PRESSURE RECOVERY SYSTEM
RU2199020C2 (en) Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system
RU2626038C1 (en) Drive gas-turbine plant of gas compressor unit with utilisation turbine plant for independent power supply
RU2253917C2 (en) Mode of exploiting of an atomic steam-turbine plant and an installation for executing it
RU2541080C1 (en) Auxiliary power gas turbine expander unit for compressor stations of gas-main pipelines
Borzea et al. Compressed air energy storage installation for renewable energy generation
CN216110894U (en) Energy recovery system applied to natural gas pipe network
CN201714437U (en) Steam turbine with steam extraction back pressure type changed from double-steam-extraction condensing type
RU117512U1 (en) ELECTRIC POWER AND HEAT INSTALLATION
Egware et al. Energy analysis of omotosho phase I gas thermal power plant
Hyrzyński et al. Thermodynamic analysis of the compressed air energy storage system coupled with the underground thermal energy storage
CN204511530U (en) Unit is produced in the merit-Re-Electricity Federation of low pressure steam cascaded utilization of energy
CN115111014A (en) Bearing air supply system of static pressure air bearing natural gas expansion generator and control method
RU2463462C1 (en) Combined gas turbo expander plant to run on natural gas
RU115023U1 (en) MAIN GAS PIPELINE
Mukolyants et al. Air heating in an air heat pump installation in the expander-generator set

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131024