Примеры использования теплоутилизационных установок с органическим теплоносителем на КС

Одной из первых теплоутилизационных установок с органическим теплоносителем – бутаном была установка, смонтированная на КС американской компанией "Нэчурал ГЭС Пайплайн оф Америка" (рис. 10.13).

Термодинамический цикл при использовании изобутана оказывается эффективнее пароводяного цикла. Но имеется ограничение по температуре: максимальная рабочая температура не должна превышать 260 °С, т.к. при ее превышении происходит разложение изобутана.

В технологическом процессе изобутан под давлением 4,9 МПа поступает параллельными потоками в два КУ теплоутилизационной установки, где происходит его нагрев до температуры 260 °С при постоянном давлении теплом отходящих газов двух газомотокомпрессоров "Кларк" ТСУ-12/16. При этом температура уходящих из КУ газов составляет 148 °С. Пары изобутана из двух КУ сливаются в один общий поток, который поступает на вход турбодетандера, где энергия паров преобразуется в механическую. При этом температура и давление изобутана снижаются и он выходит из турбодетандера в виде перегретого пара с температурой около 196 °С и давлением 0,4…0,7 МПа в зависимости от температуры наружного воздуха.

Рисунок 10.13 - Принципиальная схема утилизации теплоты отходящих газов газомотокомпрессоров с использованием органических теплоносителей:

1 - газомотокомпрессор "Кларк" ТСУ-12/16; 2 - глушитель шума выхлопа агрегатов; 3 — клапаны-переключатели; 4 — котел-утилизатор; 5 — выхлопная труба; 6- турбина; 7 — компрессор; 8 — теплообменник; 9 — насос; 10 — конденсатор;

За счет утилизированного тепла турбодетандер развивает дополнительную мощность 960-1100 кВт, которую используют для привода центробежного нагнетателя газа. Из турбодетандера перегретый пар изобутана поступает в кожухотрубный теплообменник, где его теплота используется для подогрева жидкого изобутана, поступающего в теплообменник при низкой температуре. Охлажденные пары изобутана поступают и конденсируются в конденсаторе воздушного охлаждения.

Возвращается изобутан в цикл через уравнительный резервуар, поступая на вход насосов, а затем при сверхкритическом давлении – в теплообменник на предварительный подогрев и снова в котел-утилизатор.

В этой установке тепло продуктов сгорания утилизируется дважды.

Во-первых, развиваемую турбодетандером мощность 960—1100 кВт используют для привода центробежного нагнетателя газа.

Во-вторых, из конденсатора переохлажденный изобутан направляется в резервуар, оттуда — на вход насосов, а затем при сверхкритическом давлении — в теплообменник на подогрев и в КУ.

Стоит отметить, что тепло изобутана можно было бы использовать и в 3-й раз, заменив АВО изобутана на тепловой насос.

При температуре наружного воздуха 21 °С массовый расход изобутана составляет 10 кг/с. При степени расширения 9,7 и КПД 76,5 % эффективная мощность турбодетандера равна 1080 кВт. При этом мощность насосов составляет 110 кВт.

Представляет практический интерес схема утилизации теплоты отходящих газов ГТУ "Дженерал электрик" Фрейм - 3 с использованием органического рабочего тела — н-бутана (рис. 10.14). В качестве рабочего тела можно использовать пропан. При этом изменяется только рабочее давление в конденсаторе и давление паров на выходе из турбодетандера.

Рисунок 10.14 - Принципиальная схема утилизации теплоты отходящих газов газомотокомпрессоров с использованием органических теплоносителей:

8 – теплообменник; 11 – испаритель; 12 – выхлоп ГТУ; 13 – турбодетандер; 14 – конденсатор; 15 – уравнительный резервуар; 16 – циркуляционный насос

Из уравнительного резервуара жидкий н-бутан с давлением 0,56 МПа и температурой 54 °С поступает на вход в центробежный насос, затем под давлением 7,3 МПа — в теплообменник, где подогревается до температуры 149 °С, откуда попадает в испаритель. Из испарителя пары н-бутана давлением 7,1 МПа и температурой 260 °С подаются на вход турбодетандера, а за­ем выходят с давлением 0,7 МПа и температурой 185 °С. Механическую энергию турбодетандера используют для привода электрогенератора. В дальнейшем пары н-бутана поступают в теплообменник и в конденсатор воздушного охлаждения, откуда жидкий н-бутан попадает в уравнительный резервуар.

Предложенная схема утилизации теплоты отходящих газов ГТУ обладает неоспоримым преимуществом — возможностью использования серийного оборудования. При температуре наружного воздуха 32 °С и воздушном охлаждении конденсатора в ней дополнительно можно получить 4269 кВт. Мощность с вала турбодетандера можно отбирать электрогенератором, компрессорами высокого давления (ТВД), турбиной низкого давления (ТНД), одновременно перед ТВД и ТНД. При подаче пара в воздуховод перед реге­нератором агрегата (перед ТВД) в количестве 0,47 - 0,6 кг/с прирост его полезной мощности составил около 10%.

В двухвальных ГТУ, при повышенных температурах воздуха, значительного увеличения мощности. вплоть до номинальной, принципиально возможно достичь при одновременном вводе пара перед ТВД и ТНД. При этом расходы впрыскиваемого пара достигают больших значений. Пар требуемых параметров и в достаточном количестве может быть получен в КУ, созданных на базе современных утилизационных теплообменников с оребренными поверхностями нагрева.