RU2138662C1 - Method of and device for producing neutral gas by means of gas turbine - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry. SUBSTANCE: proposed device can be used at processing and in emergency for filling in and blowing through spaces with neutral (inert) gas in explosion hazard installations. Neutral gas is produced by organizing burning process before turbine with excess air and dividing flow into two parts. One of parts is directed to do required work, and fuel is fed into the other part to provide burning until oxygen is completely burnt out. This part is cooled by passing through heat exchange device , for instance, by water. Device for producing neutral gas has main members of gas turbine plant, namely turbine, compressor, combustion chamber and fuel feed and control systems and is furnished with additional combustion chamber. Spaces of combustion chamber at one side are placed in communication with space before turbine and with fuel feed line, and at other side, with neutral gas consumer through hear exchanger device. Water from pump is used as cooling agent. EFFECT: increased economy and pressure of neutral gases. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и может быть использовано при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения и продувки полостей нейтральным (инертным) газом. The invention relates to the oil and gas industry, where there are explosive objects, and can be used in technological operations and emergency situations to fill and purge cavities with neutral (inert) gas.

Известным и наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ и устройство получения нейтрального газа с помощью газовой турбины по заявке N 2180053 Великобритании кл. F 02 C 3/34, опубликованной 18.03.87 N 11. Суть предложения состоит в следующем. Known and closest in technical essence to the invention is a method and apparatus for producing a neutral gas using a gas turbine according to the application N 2180053 United Kingdom class. F 02 C 3/34, published 03/18/87 N 11. The essence of the proposal is as follows.

В газотурбинной установке компрессоры подают в камеру сгорания воздух и горючий газ в стехиометрическом соотношении. Горючий газ сжигается с воздухом в зоне горения, а продукты сгорания из камеры через смесительную зону поступают на турбину. За турбиной поток отработанных газов разделяется на поток инертного газа, поступающего к потребителю, и рециркуляционный поток, поступающий в смесительную зону камеры сгорания через холодильник и компрессор. In a gas turbine installation, compressors feed air and combustible gas into the combustion chamber in a stoichiometric ratio. Combustible gas is burned with air in the combustion zone, and the combustion products from the chamber through the mixing zone enter the turbine. Behind the turbine, the exhaust gas stream is divided into the inert gas stream entering the consumer and the recirculation stream entering the mixing zone of the combustion chamber through the refrigerator and compressor.

К недостаткам известного способа и устройства можно отнести то, что из-за отбора газа после турбины не представляется возможным обеспечить сравнительно высокое давление инертных (нейтральных) газов. The disadvantages of the known method and device include the fact that due to the selection of gas after the turbine it is not possible to provide a relatively high pressure of inert (neutral) gases.

Технической задачей изобретения является повышение давления нейтрального газа при реализации способа и устройства получения нейтральных газов с помощью газовой турбины. An object of the invention is to increase the pressure of a neutral gas when implementing the method and device for producing neutral gases using a gas turbine.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, основанном на сжигании в стехиометрическом соотношении топлива с воздухом с помощью газотурбинной установки тем, что продукты сгорания до турбины образуют с избытком кислорода, поток разделяют на две части, одну из которых направляют на турбину для совершения необходимой работы, в другую подают топливо для образования процесса горения, при котором кислорода остается менее одного процента, затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой, и направляют к потребителю. The problem is solved in the proposed method for producing neutral gas using a gas turbine, based on burning in a stoichiometric ratio of fuel to air using a gas turbine unit in that the combustion products to the turbine form with excess oxygen, the flow is divided into two parts, one of which is directed to a turbine to perform the necessary work, fuel is supplied to another to form a combustion process in which less than one percent of oxygen remains, then this part of the stream is cooled through t ploobmenny apparatus, e.g., water, and sent to the consumer.

Способ реализуется в устройстве для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащем компрессор и турбину, расположенные на одном валу, камеру сгорания со смесительными элементами, сообщенную с одной стороны с компрессором и линией подачи топлива, а с другой - с турбиной, теплообменный аппарат для охлаждения продуктов сгорания, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива и агрегаты регулирования, тем, что оно дополнительно оснащено камерой сгорания, полости которой сообщены с одной стороны с полостью до турбины и линией подачи топлива, а с другой - с потребителем нейтральных газов, при этом между потребителем и камерой сгорания установлен теплообменный аппарат, подключенный к системе циркуляции охладителя, например, воды. The method is implemented in a device for producing neutral gas using a gas turbine containing a compressor and a turbine located on the same shaft, a combustion chamber with mixing elements communicated on the one hand with the compressor and the fuel supply line, and on the other with the turbine, a heat exchanger for cooling of combustion products, a system for maintaining a stoichiometric ratio of air and fuel consumption and control units, in that it is additionally equipped with a combustion chamber, the cavities of which are connected with one Rhone the cavity to the turbine and the fuel supply line, and the other - with a neutral gas consumer, wherein the consumer between the combustion chamber and heat exchanger is installed, connected to the coolant circulation system, e.g., water.

Совокупность технических решений позволяет установить соответствие их критерию "новизна". Заявленные признаки позволяют в данном способе и устройстве иметь новое свойство в сравнении с известными техническими решениями, заключающееся в том, что предлагаемый способ и устройство получения нейтрального газа с помощью газовой турбины обеспечивают создание комплекса оборудования с высокими техническими параметрами за счет рационального расхода тепловой энергии. The combination of technical solutions allows us to establish compliance with their criterion of "novelty." The claimed features allow in this method and device to have a new property in comparison with the known technical solutions, namely, the proposed method and device for producing neutral gas using a gas turbine provide the creation of a complex of equipment with high technical parameters due to the rational consumption of thermal energy.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Thus, the invention meets the criterion of "inventive step".

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства. The drawing shows a schematic diagram of the proposed device.

Основными элементами являются:
1 - компрессор;
2 - турбина;
3 - вал;
4 и 10 - камеры сгорания;
5 - свеча;
6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 17 и 18 - магистрали;
12 - теплообменный аппарат охлаждения газа;
15 - насос воды;
16 - теплообменный аппарат охлаждения воды.The main elements are:
1 - compressor;
2 - turbine;
3 - shaft;
4 and 10 - combustion chambers;
5 - a candle;
6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 17 and 18 - highways;
12 - heat exchanger gas cooling;
15 - water pump;
16 - heat exchanger water cooling.

Компрессор 1 предназначен для создания давления воздуха. Compressor 1 is designed to create air pressure.

Турбина 2 расположена на валу 3 вместе с компрессором и является его приводом. Рабочее тело для турбины вырабатывается в камере сгорания 4, поджиг топливо-воздушной смеси, в которой осуществляется через свечу 5. В данной камере сгорания вырабатывается рабочее тело, в том числе и для камеры сгорания 10. Подвод воздуха к камере сгорания 4 от компрессора и топлива от системы регулирования осуществляется по магистралям 6 и 7, а отвод рабочего тела к турбине и камере 10 - по магистралям 8 и 9. Для осуществления процесса выработки нейтрального газа устройство снабжено второй камерой сгорания 10, полость которой с одной стороны сообщена с полостью после камеры 4 магистралью 9 и с системой подачи топлива магистралью 11, а с другой - непосредственно с теплообменным аппаратом 12 и с потребителем через магистраль 13. В качестве охладителя принята вода, поступающая в теплообменный аппарат 12 по магистрали 14 от насоса 15, который можно расположить на валу с турбиной 2, как показано на фиг. 1, или на валу любого автономного привода (электродвигатель, свободная турбина, гидротурбина). В свою очередь вода охлаждается воздухом в теплообменном аппарате 16, подвод и отвод к которому осуществляются по магистралям 17 и 18. Устройство содержит систему стехиометрического соотношения, обеспечивающую подачу топлива в камеру сгорания 10 с постоянным соотношением массовых расходов воздуха и топлива при влиянии внешних и внутренних факторов (не показано). The turbine 2 is located on the shaft 3 together with the compressor and is its drive. The working fluid for the turbine is produced in the combustion chamber 4, ignition of the fuel-air mixture, in which it is carried out through the candle 5. In this combustion chamber, the working fluid is produced, including for the combustion chamber 10. Air supply to the combustion chamber 4 from the compressor and fuel from the control system is carried out through highways 6 and 7, and the discharge of the working fluid to the turbine and chamber 10 is carried out along highways 8 and 9. To carry out the process of generating neutral gas, the device is equipped with a second combustion chamber 10, the cavity of which on one side is with a cavity after the chamber 4 by the highway 9 and with the fuel supply system by the highway 11, and on the other, directly with the heat exchanger 12 and with the consumer through the highway 13. As a cooler, water is received that enters the heat exchanger 12 through the highway 14 from the pump 15, which can be positioned on a shaft with a turbine 2, as shown in FIG. 1, or on the shaft of any self-contained drive (electric motor, free turbine, hydraulic turbine). In turn, the water is cooled by air in the heat exchanger 16, the supply and exhaust to which are carried out via highways 17 and 18. The device contains a stoichiometric ratio system that provides fuel to the combustion chamber 10 with a constant ratio of the mass flow of air and fuel under the influence of external and internal factors (not shown).

Принцип работы заключается в следующем. Системами запуска и воспламенения (не показаны) производится запуск газотурбинной установки. При этом воздух из окружающей среды поступает на компрессор 1 и от компрессора по магистрали 6 к камере сгорания 4, а топливо подается в камеру по магистрали 7. В полости камеры сгорания 4 происходят горение топлива и охлаждение продуктов сгорания воздухом до требуемой температуры. После этого газы поступают по магистрали 8 на турбину 2, а по магистрали 9 - в камеру сгорания 10. В камеру сгорания 10 топливо подается по магистрали 11 для горения с остатком кислорода. Минимальный остаток кислорода (менее 1%) достигается изменением расхода топлива. Газы из полости камеры поступают в теплообменный аппарат 12, где охлаждаются водой и поступают к потребителю. Вода может быть подана от постороннего источника или по циркуляционному циклу. The principle of operation is as follows. Starting and ignition systems (not shown) start a gas turbine installation. In this case, air from the environment enters the compressor 1 and from the compressor along the highway 6 to the combustion chamber 4, and the fuel is supplied to the chamber along the highway 7. In the cavity of the combustion chamber 4, fuel is burned and the combustion products are cooled to the required temperature. After that, the gases flow through line 8 to turbine 2, and through line 9 to the combustion chamber 10. Fuel is supplied to the combustion chamber 10 through the highway 11 for combustion with the remainder of oxygen. The minimum oxygen residue (less than 1%) is achieved by changing the fuel consumption. Gases from the chamber cavity enter the heat exchanger 12, where they are cooled by water and supplied to the consumer. Water can be supplied from an extraneous source or through a circulation cycle.

Организация процесса горения в двух камерах сгорания для получения в отдельности продуктов, поступающих на турбину и к потребителю, повышает экономичность устройства и давление нейтральных газов. The organization of the combustion process in two combustion chambers to obtain separately the products entering the turbine and to the consumer increases the efficiency of the device and the pressure of neutral gases.

Повышение экономичности устройства, по сравнению с известным решением, достигается за счет того, что рабочее тело для турбины компримируется в одном компрессоре (повышается его КПД) и отсутствует процесс охлаждения возвращаемых в цикл газов после турбины (на организацию этого процесса потребуется затрата энергии). Improving the efficiency of the device, in comparison with the known solution, is achieved due to the fact that the working fluid for the turbine is compressed in one compressor (its efficiency is increased) and there is no cooling process for the gases returned to the cycle after the turbine (energy will be required to organize this process).

Повышение давления нейтральных газов производится путем их образования из цикла рабочего процесса до турбины, где давление сравнительно велико. Затраты энергии на привод насоса воды будут несущественными, так как расход и напор насоса, работающего в циркуляционном режиме или от внешнего источника, требуют небольшой величины. The increase in pressure of neutral gases is carried out by their formation from the cycle of the working process to the turbine, where the pressure is relatively high. Energy costs for driving a water pump will be insignificant, since the flow rate and pressure of a pump operating in a circulating mode or from an external source require a small amount.

Надежность процесса в камере сгорания 10 обеспечивается высокой температурой сгорания, поступающих из камеры сгорания 4, при которой топливо (керосин или природный газ) самовоспламеняется. The reliability of the process in the combustion chamber 10 is ensured by the high temperature of combustion coming from the combustion chamber 4, at which the fuel (kerosene or natural gas) spontaneously ignites.

Таким образом, реализация предлагаемого способа получения нейтрального газа с помощью газовой турбины и устройства для его осуществления позволит создать технологический комплекс оборудования с высоким уровнем эксплуатационных параметров. Thus, the implementation of the proposed method for producing neutral gas using a gas turbine and a device for its implementation will allow you to create a technological complex of equipment with a high level of operational parameters.

Claims (2)

1. Способ получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, основанный на сжигании в стехиометрическом соотношении топлива с воздухом с помощью газотурбинной установки, отличающийся тем, что продукты сгорания до турбины образуют с избытком кислорода, поток разделяют на две части, одну из которых направляют на турбину для совершения необходимой работы, в другую подают топливо для образования процесса горения, при котором кислорода остается менее 1%, затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой и направляют к потребителю. 1. A method of producing neutral gas using a gas turbine, based on the combustion in a stoichiometric ratio of fuel to air using a gas turbine installation, characterized in that the combustion products to the turbine form with excess oxygen, the flow is divided into two parts, one of which is directed to the turbine to perform the necessary work, fuel is supplied to another to form a combustion process in which oxygen remains less than 1%, then this part of the stream is cooled through a heat exchanger, for example, water and lyayut to the consumer. 2. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащее компрессор и турбину, расположенные на одном валу, камеру сгорания со смесительными элементами, сообщенную с одной стороны с компрессором и линией подачи топлива, а с другой - с турбиной, теплообменный аппарат для охлаждения продуктов сгорания, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива и агрегаты регулирования, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено камерой сгорания, полости которой сообщены с одной стороны с полостью до турбины и линией подачи топлива, а с другой - с потребителем нейтральных газов, при этом между потребителем и камерой сгорания установлен теплообменный аппарат, подключенный к системе циркуляции охладителя, например воды. 2. A device for producing neutral gas using a gas turbine, comprising a compressor and a turbine located on one shaft, a combustion chamber with mixing elements communicated on the one hand with the compressor and the fuel supply line, and on the other with the turbine, a heat exchanger for cooling combustion products, a system for maintaining a stoichiometric ratio of air and fuel consumption and control units, characterized in that it is additionally equipped with a combustion chamber, the cavities of which are communicated on one side cavity to the turbine and the fuel supply line, and the other - with a neutral gas consumer, wherein the consumer between the combustion chamber and heat exchanger is installed, connected to the coolant circulation system, for example water.