Агрегат детандер-генераторный. Детандер - генераторная установка электростанции

В 1947 г. академик М.Д. Миллионщиков высказал идею использования высокого давления газа в магистральных газопроводах для выработки электрической энергии. Европейские страны (Германия, Италия и др.) и США уже в течение нескольких десятилетий используют этот источник почти бесплатной энергии, в то время как в России данную технологию начали осваивать только в последние 10-15 лет. Технология основана на том, что параллельно газоредуцирующим пунктам магистральных газопроводов устанавливают специальные газорасширительные агрегаты - турбодетандеры. Последние понижают давление газа до требуемого потребителю и, выполняя функции газораспределительных пунктов (ГРП) и станций (ГРС), вырабатывают электроэнергию, рис. 7.5 .

Первый в России детандер-генераторный комплекс мощностью 10 МВт, состоящий из двух детандер-генераторных агрегатов (ДГА), введен в эксплуатацию в 1994 г. на ТЭЦ-21 Мосэнерго. Подобные агрегаты работают сегодня на Среднеуральской ГРС в России, Лукомльской ГРС в Белоруси, Днепропетровской ГРС-7 в Украине. Вводятся в эксплуатацию два ДГА по 5 МВт (ДГА-5000) Рязанской ГРС (поставщик - ОАО «Криокор») и ЭТДА-1500 в ОАО «Сода» (г. Стсрлитамак, Башкирия).

Успешный опыт использования ДГА в России, Украине и Белоруссии, а также более чем 20-летний опыт их применения в Западной Европе и Америке вызвал оживление интереса рынка к этой технологии. Это относится не только к мощным ДГА на магистральных газопроводах, но и к небольшим агрегатам, устанавливаемым на ГРС и ГРП распределительных сетей, где редуцирование газа осуществляется при невысоких давлениях (например, с 1,8 или 1,2 до 0,3 МПа). В этом случае целесообразно вырабатывать не только электрическую энергию, но и холод. Согласно расчетам, при понижении давления газа с 1,8 до 0,3 МПа температура его снижается на 70-80 °С (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При температуре газа на входе в машину +20 °С температура газового потока на выходе составит +50-60 °С, а количество холода - 60-80 кДж/нм 3 . Это делает возможным строительство при ГРС промышленных холодильников, емкость которых будет определяться величиной стабильного расхода газа через детандер. Наиболее приемлемыми можно считать ДГА с единичной мощностью 1,5-6,0 МВт.

Рис. 7.5.

Предварительная проработка проекта энерготехнологической де- тандерной установки на базе ГРС со стабильным суточным расходом газа 60 тыс. м 3 (рис. 7.6) показала, что ее хладопроизводительность достаточна для обеспечения типового промышленного холодильника емкостью 270 т. При этом удельная выработка электроэнергии в установке составляет 0,025 кВт-ч/нм 3 , а электрическая мощность генератора - 62,5 кВт, что вполне достаточно для покрытия собственных нужд холодильника (автоматика, насосы, освещение и т. п.) .

Потенциал производства электроэнергии с помощью мощных ДГА в России составляет около 5000 МВт. Окупаемость проектов - от 3 до 5 лет. Рынок энерготехнологических установок, использующих избыточный перепад давления газа на относительно небольших ГРС и крупных ГРП для выработки электроэнергии и холодоснабжения промышленных и сельскохозяйственных холодильников, также велик.

Рис. 7.6.

• 1 -редукционный клапан ГРС; 2 - винтовой детандер :
• 5 - электрогенератор: 4 - теплообменник; 5 - холодильная камера;
• 6 - циркуляционный насос; 7 - контур хладагента; 8 - сепаратор

Залогом успеха российской малой энергетики является зарождение интереса к ней в последнее время не только малого и среднего бизнеса, но и государственных структур. Для успешного развития МЭ в России необходим соответствующий закон. В нем должны быть определены четкие критерии, базовые требования к объектам МЭ. Без него на реализацию проектов создания объектов МЭ влияет множество субъективных факторов. При развитии МЭ необходимо удерживаться от опасности перехода из одной крайности - глобальной централизации - в другую - тотальную децентрализацию. Пока МЭ в России развивается по остаточному принципу.

Детандер-генераторная установка предназначена для преобразования энергии избыточного давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах (ГРП) в электрическую энергию. Передняя опора выполнена в виде подшипникового узла, снабженного закрепленным на крышке (7) детандер-генератора (1) корпусом (15) переднего подшипника (13) с упорным кольцевым буртиком (14), крышкой (16) переднего подшипника (13), фиксирующей его наружную обойму от осевого перемещения, и установленной на валу (11) упорной втулкой (17), фиксирующей на нем внутреннюю обойму переднего подшипника (13), что обеспечивает восприятие осевой нагрузки более мощным передним подшипником (13), находящимся в зоне интенсивного охлаждения и достаточным теплоотводом, причем задний подшипник (19) при этом является плавающим и полностью разгружен от восприятия осевой нагрузки. Это повышает срок службы подшипников и увеличивает межремонтный ресурс эксплуатации установки. Кроме того, при необходимости замена подшипников производится непосредственно после демонтажа ротора (12) вместе с передним подшипником (13) и не требует полной разборки корпуса (6) детандер-генератора (1). 1 ил.

Полезная модель относится к турбомашиностроению и может быть использована в установках для преобразования энергии избыточного давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах (ГРП) в электрическую энергию.

Известна утилизационная детандер-генераторная установка (см. оп. к патенту Украины №6150, МПК F25B 11/00, 2004 г), содержащая детандер-генератор, корпус которого выполнен из трубы, закрытой с торцов днищем и крышкой, в корпусе размещены статор и ротор, вал которого установлен на передней и задней опорах, представляющих собой подшипники качения. При работе вал подвергается воздействию осевой нагрузки, которая, вследствие скользящих посадок опор вала, полностью воспринимается задним подшипником, расположенным в зоне с недостаточным охлаждением и теплоотводом. Это приводит к перегреву заднего подшипника, интенсивному его износу и выходу установки из строя. Замена подшипников требует разборки корпуса с крышкой и днищем.

Задачей настоящей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности работы детандер-генераторной установки путем повышения срока службы подшипников, а также повышение ее ремонтопригодности.

Поставленная задача решается за счет того, что в детандер-генераторной установке, включающей расположенный в корпусе, выполненном из трубы и закрытом с торцов крышкой и днищем,

детандер-генератор со статором и ротором, вал которого установлен на передней и задней опорах качения, согласно техническому решению, передняя опора выполнена в виде подшипникового узла, снабженного закрепленным на крышке детандер-генератора корпусом переднего подшипника с упорным кольцевым буртиком, крышкой переднего подшипника, фиксирующей его наружную обойму от осевого перемещения, и установленной на валу упорной втулкой, фиксирующей на нем внутреннюю обойму переднего подшипника.

Такое решение, позволяющее зафиксировать передний подшипник на валу ротора и в крышке детандер-генератора, обеспечивает восприятие осевой нагрузки более мощным передним подшипником, находящимся в зоне интенсивного охлаждения и достаточным теплоотводом, причем задний подшипник при этом является плавающим и полностью разгружен от восприятия осевой нагрузки. Это повышает срок службы подшипников и увеличивает межремонтный ресурс эксплуатации установки.

Кроме того, при необходимости замена подшипников производится непосредственно после демонтажа ротора вместе с передним подшипником и не требует полной разборки корпуса детандер-генератора.

На фиг. показана детандер-генераторная установка.

Детандер-генераторная установка включает детандер-генератор 1, установленный на трубопроводе 2 параллельно узлу редуцирования 3 ГРС или ГРП и соединенный с трубопроводом 2 при помощи патрубков подвода 4 и отвода 5 газа. В корпусе 6 детандер-генератора 1, закрытом с торцов крышкой 7 и днищем 8, размещены рабочее колесо 9, статор 10 и вал 11 ротора 12, установленного на передней и задней опорах. Передняя опора представляет собой подшипниковый узел, состоящий из переднего подшипника 13, установленного до упора в кольцевой бурт 14 корпуса 15 переднего подшипника 13, зафиксированного от осевого перемещения

крышкой 16 переднего подшипника 13. Внутренняя обойма переднего подшипника 13 напрессована на вал 11 и зафиксирована при помощи упорной втулки 17 и рабочего колеса 9. Подшипниковый узел закреплен винтами 18 к крышке 7. Задняя опора ротора 12 представляет собой задний подшипник 19, внутренняя обойма которого напрессована на вал 11, а наружная установлена по скользящей посадке в расточке днища 8.

Детандер-генераторная установка работает следующим образом.

Природный газ по трубопроводу 3 через патрубок 4 поступает на рабочее колесо 9 и за счет избыточного давления, определяемого узлом редуцирования 2, приводит во вращение ротор 12. Осевое усилие, создаваемое перепадом давления на рабочем колесе 9, жестко закрепленном на валу 11, полностью воспринимается подшипником 13, интенсивно охлаждаемым контактирующим с ним газом. При этом задний подшипник 19 полностью разгружен от осевой силы и воспринимает только приходящуюся на него часть нагрузки от веса ротора 12.

В случае необходимости замены подшипников 13 или 19 достаточно вынуть ротор 12 из корпуса 6, выкрутив винты 18 крепления подшипникового узла к крышке 7 детандер-генератора 1. Разборки корпуса 6 при этом не требуется.

Детандер-генераторная установка, включающая расположенный в корпусе, выполненном из трубы и закрытом с торцов крышкой и днищем, детандер-генератор со статором и ротором, вал которого установлен на передней и задней опорах качения, отличающаяся тем, что передняя опора выполнена в виде подшипникового узла, снабженного закрепленным на крышке детандер-генератора корпусом переднего подшипника с упорным кольцевым буртиком, крышкой переднего подшипника, фиксирующей его наружную обойму от осевого перемещения, и установленной на валу упорной втулкой, фиксирующей на нем внутреннюю обойму переднего подшипника.

Технологические установки и газораспределительные станции, перерабатывая энергию сжатого газа, позволяют не только получать холод. Они способны вырабатывать механическую и электрическую энергию. Такое устройство известно, как турбодетандер, принцип действия которого основан на перепадах давления. Данные установки позволяют получать не использованный энергетический потенциал.

Устройство турбодетандера

Турбодетандерная установка представляет собой лопаточную турбинную машину с непрерывным действием. С помощью турбодетандера производится расширение газа с целью его дальнейшего охлаждения. Освобожденная энергия позволяет совершать полезную внешнюю работу. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в промышленных установках, принимают непосредственное участие в сжижении газа и разделении многокомпонентных газовых смесей.

В конструкцию турбодетандера входит корпус, ротор, сопловой регулируемый аппарат, а также направляющий аппарат, оборудованный поворотными механизмами. Агрегат полностью герметичен и не нуждается в электрической энергии. Направление движущегося потока газа определяет его конструкцию. Поэтому турбодетандеры могут быть центробежными, центростремительными и радиальными (осевыми). В соплах наблюдается различная степень расширения газа. В связи с этим турбодетандеры разделяются на активные и реактивные. В первом случае давление понижается лишь в неподвижных направляющих каналах, а во втором случае - еще и во вращающихся каналах ротора. Конструкции установок могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, в зависимости от количества ступеней.

Принцип работы турбодетандерных установок

Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.

Как правило, при использовании установок в промышленности, на входе турбины поддерживается постоянное давление в соответствии с проектным уровнем. В такой ситуации давление регулируется специальными клапанами, что не совсем рационально. Более эффективными считаются турбины с переменным давлением при полностью открытых входных клапанах. Используемые клапана должны иметь максимально большие размеры. Это позволяет достигнуть необходимого дросселирования при перепадах давления всего лишь 5-10%. Для традиционных клапанов этот показатель составляет 25 - 50% из-за слишком малых размеров. То же самое касается насосов, создающих давление газа. Они подбираются в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Наиболее оптимальным вариантом является применение турбодетандера для производства электроэнергии за счет избыточного давления. Одновременно, газ, проходящий через агрегат, используется по прямому назначению, независимо от режима работы и без каких-либо потерь. Таким образом, весь цикл представляет собой термодинамический обратимый процесс.

Использование турбодетандеров в промышленности

Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.

В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.

Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Полезная модель относится детандер-генераторным установкам для производства электроэнергии путем использования энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, и может быть применена на газорегуляторных пунктах и газораспределительных станциях газопроводов. Техническая задача, решаемая полезной моделью, состоит в повышении экономических, экологических показателей и энергоэффективности детандер-генераторной установки, а также снижение ее стоимости. Поставленная задача решается тем, что в известной детандер-генераторной установке, содержащей последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник подогрева газа, детандер, кинематически связанный с электрогенератором, трубопровод низкого давления, а также воздушную трубу, кинематически соединенную с воздушным компрессором, и теплообменник с циркулирующим по контуру хладагентом, детандер, воздушный компрессор, воздушная турбина и электрогенератор кинематически связаны одним валопроводом, вход воздушного компрессора соединен с атмосферой воздухопроводом низкого давления, выход воздушного компрессора соединен со входом теплообменника подогрева газа перед детандером воздухопроводом высокого давления, и воздуховодом, соединяющим выход теплообменника со входом воздушной турбины. 1 з. п, ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к детандер-генераторным установкам и касается детандерных установок для производства электроэнергии при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, и может быть применена на газорегуляторных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (ГРС) газопроводов.

Известно устройство для использования энергии избыточного давления газа на газораспределительной станции газопровода для получения электроэнергии (Мальханов В.П. Об утилизационной турбодетандерной установке УТДУ-2500 на ГРС-7 г. Днепропетровск // Энергосбережение и водоподготовка.-2002.-№4.-с.45-47.), содержащее кинематически соединенный с электрогенератором турбодетандер, подключенный входным патрубком к трубопроводу высокого давления до ГРС, выходным патрубком - к трубопроводу низкого давления за ГРС, а также подогреватели газа, установленные в линии трубопровода высокого давления перед детандером, обеспечивающие нагрев газа за счет сжигания части газа, прокачиваемого через детандер.

Недостатком этого устройства является необходимость в использовании источника энергии, в котором косвенно или непосредственно используется процесс сжигания топлива, например, природного газа. Это требует расхода природного топлива, ухудшает экологические показатели вследствие сжигания топлива, снижает экономические показатели установки вследствие издержек на сжигаемое топливо.

Известна установка для получения дополнительной электрической энергии за счет использования энергии избыточного давления газа (Агабабов B.C., Корягин А.В., Архаров Ю.М, Архарова А.Ю. Детандер-генераторная установка // Патент на полезную модель №39937. Россия. МПК: 7 F 25 В 11/02, F 01 К 27/00 по заявке №2004110563 от 08.04.2004. Опубл. 20.08.2004. Бюл. №23. Приоритет от 08.04.2004), содержащая кинематически соединенный с электрогенератором детандер, подключенный входным патрубком к трубопроводу высокого

давления до ГРП, выходным патрубком - к трубопроводу низкого давления за ГРП, воздушный компрессор, а также теплообменник для подогрева газа перед детандером, за счет горячего воздуха из выхлопа воздушного компрессора, и воздушную турбину, на выходе которой установлен теплообменник с циркулирующим по контуру хладагентом.

Недостатком этой установки является ее сложность, наличие потерь на передачу электрической энергии и механических потерь, связанных с тем, что детандер, генератор и воздушный компрессор с воздушной турбиной расположены на разных валопроводах. Кроме того, из-за многовальности установки неизбежны достаточно высокие безвозвратные потери масла в подшипниках валов.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - состоит в повышении экономических, экологических показателей и энергоэффективности детандер-генераторной установки, а также снижение ее стоимости.

Техническая задача, решается тем, что в известной установке, содержащей последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник подогрева газа, детандер, кинематически связанный с электрогенератором, трубопровод низкого давления, а также воздушную турбину, кинематически соединенную с воздушным компрессором, и теплообменник, с циркулирующим по контуру хладагентом, детандер, воздушный компрессор, воздушная турбина и электрогенератор кинематически связаны одним валопроводом, вход воздушного компрессора соединен с атмосферой воздухопроводом низкого давления, выход воздушного компрессора соединен со входом теплообменника подогрева газа перед детандером воздухопроводом высокого давления, и воздуховодом, соединяющим выход теплообменника со входом воздушной турбины.

Кроме того, устройство может быть снабжено механическим редуктором, установленным между детандером и воздушным компрессором.

На чертеже изображена схема предлагаемой установки.

Установка содержит трубопровод высокого давления 1, установленный по ходу подачи газа в детандер, теплообменник подогрева газа 2 типа «воздух-газ», детандер 3, воздушный компрессор 4, воздушную турбину 5 и электрогенератор 6, расположенные на одном валопроводе, трубопровод низкого давления 7, соединяющий выход детандера с газопроводом за ГРС (ГРП), трубопровод подогретого газа 8, соединяющий вход детандера с теплообменником 2, горячий воздухопровод высокого давления 9, соединяющий теплообменник 2 с выходом воздушного компрессора 4, холодный воздухопровод 10, соединяющий выход теплообменника 2 со входом воздушной турбины 5, воздуховоды низкого давления 11 и 12, соединяющие соответственно вход воздушного компрессора и выхлоп воздушной турбины с атмосферой. Для использования холода, получаемого вследствие адиабатного расширения воздуха, в воздушной турбине 5 в линии воздуховода низкого давления 12 устанавливается теплообменник 13, в котором холодный воздух подогревается хладагентом, циркулирующим в замкнутом контуре 14, который передает получаемый от воздуха холод потребителю холода 15. Для оптимизации работы детандера 3, воздушной турбины 5 и компрессора 4 на валопроводе дополнительно может быть установлен механический редуктор 16.

Устройство работает следующим образом.

При работе детандера 3 газ с температурой Т ГО подаваемый по трубопроводу 1 к детандеру 3, подогревается до температуры Т Г >Т ГО теплообменнике 2, в котором в качестве греющего теплоносителя используется нагретый механическим путем воздух с выхода компрессора 4, имеющий температуру Т В >Т Г. Привод воздушного компрессора 4 осуществляется детандером 3 и воздушной турбиной 5, кинематически соединенными между собой и электрогенератором 6 единым валопроводом. Избыточная механическая суммарная мощность детандера 3 и воздушной турбины 5 преобразуется в электрогенераторе 6 в электрическую мощность, отдаваемую в электрическую сеть. В результате

сжатия воздуха в компрессоре 4 температура воздуха повышается. Используя эту теплоту воздуха в теплообменнике подогрева газа, обеспечивается подогрев газа перед детандером. При этом степень сжатия воздушного компрессора 4 выбирается таким образом, чтобы температура воздуха на выходе компрессора Т В была больше требуемой температуры подогрева газа Т Г, т.е. Т В >Т Г. С выхода теплообменника 2 охлажденный воздух с температурой Т В >Т ГО по воздухопроводу 10 подается на вход воздушной турбины 5, при адиабатном расширении в турбине воздух охлаждается, с выхода воздушной турбины холодный воздух по воздуховоду 12 сбрасывается в атмосферу. Установленный в линии воздуховода 12 теплообменник-утилизатор холода 13 соединяется по контуру хладагента 14 с потребителем холода 15. Вырабатываемая детандером 3 и воздушной турбиной 5 мощность используется для работы компрессора 4 и привода электрогенератора 6.

Благодаря тому, что детандер 3, воздушный компрессор 4, воздушная турбина 5 и электрогенератор 6 кинематически связаны одним валопроводом, увеличивается энергоэффективность установки за счет снижения механических потерь и потерь на передачу электроэнергии. Кроме этого, уменьшается количество подшипников, а следовательно, безвозвратных потерь масла в окружающую среду. Все это, вместе с нагревом газа горячим воздухом с выхлопа воздушного компрессора 4, при котором сжигания топливного газа не требуется, позволяет повысить экономические и экологические показатели детандер-генераторной установки.

Формула полезной модели

1. Детандер-генераторная установка, содержащая последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник подогрева газа, детандер, кинематически связанный с электрогенератором, трубопровод низкого давления, а также воздушную турбину, кинематически соединенную с воздушным компрессором, и теплообменник с циркулирующим по контуру хладагентом, отличающаяся тем, что детандер, воздушный компрессор, воздушная турбина и электрогенератор кинематически связаны одним валопроводом, вход воздушного компрессора соединен с атмосферой воздухопроводом низкого давления, выход воздушного компрессора соединен со входом теплообменника подогрева газа воздухопроводом высокого давления.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в составе ее валопровода между детандером и воздушным компрессором установлен механический редуктор.