CC BY
345
УДК 621.313
С.Ф. Степанов, В.В. Коваленко, А.Б. Дубинин
РАЗРАБОТКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ С ПОПУТНОЙ ВЫРАБОТКОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЭЛЕКТРОПОДОГРЕВОМ РЕДУЦИРУЕМОГО ГАЗА
Рассмотрены вопросы использования на газораспределительных станциях детандер-генераторных агрегатов с управляемым электроподогревом газа перед редуцированием. Определены наиболее вероятные места применения предлагаемой технологии.
Газораспределительная станция, детандер-генераторный агрегат, электроподогрев газа, редуцирование
S.F. Stepanov, V.V. Kovalenko, A.B. Dubinin
DEVELOPMENT OF A NEW GENERATION HIGHLY GAS DISTRIBUTION STATIONS ASSOCIATED WITH POWER GENERATION AND ELECTRICALLY HEATED REDUCIBLE GAS
Questions of using expander-generator units on gas distribution stations with electrically heated controlled gas before reduced on are considered. The most probable location of the proposed technology are determined.
Gas distributive station, the gas-expansion-generating unit, electroheating of gas, reducing
В программах перспективного развития аграрно-промышленного комплекса страны особое место уделяется повышению эффективности использования природных ресурсов. Особое место в этих программах уделяется разработке и внедрению мероприятий по снижению энергозатрат на единицу валового внутреннего продукта (ВВП).
Усилия государственных органов, направленные на решение вопросов энергосбережения нашли свое отражение в разработке и принятии в 2009 году федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Значительные возможности экономии энергетических ресурсов имеются при их потреблении на большинстве предприятий. При этом вопросы рационального использования вторичных энергоресурсов являются одними из ключевых в программах энергосбережения большинства промышленных предприятий нашей страны.
Одним из крупнейших промышленных объединений страны является ОАО «Газпром», в рамках которого создана и эксплуатируется уникальная газотранспортная система. Протяженность только магистральных газопроводов и отводов, входящих в газотранспортную систему, составляет 158 тыс. км (газопроводы диаметром 1020, 1220 и 1420 мм составляют более 62%) [1].
Кроме этого, в настоящее время ОАО «Газпром» объединяет 173 газораспределительных организации (ГРО) Российской Федерации, которые обслуживают 514,2 тыс. км (80 % от общей протяженности по России) распределительных газопроводов. ГРО группы ОАО «Г аз-пром» обеспечивают транспортировку по газораспределительным сетям 221,2 млрд. куб. м в 20,4 млн. квартир и 212 тыс. промышленных предприятий в 82 тыс. населенных пунктах Российской Федерации [2]. Более 50 % добываемого в России газа экспортируется в другие страны.
Транспортировка газа по магистральным и распределительным сетям осуществляется при высоких давлениях газа (до 75 атм). Перед подачей потребителям давление газа на газораспределительных станциях (ГРС) снижается до уровня, требуемого потребителю. При этом потенциальная энергия сжатого газа безвозвратно теряется.
В целях энергосбережения и повышения эффективности общественного производства эту энергию нужно и можно утилизировать с получением положительных эффектов.
Выработка электроэнергии с помощью детандер-генераторных агрегатов (ДГА) на газораспределительных станциях и пунктах при редуцировании газа является одним из высокоэффективных способов энергосбережения в газотранспортной системе страны.
По сценариям экспертов, мировая потребность в газе к 2030 году возрастет по сравнению с нынешним уровнем более чем в два раза. Следовательно, объемы выработки электроэнергии на ГРС с применением ДГА так же могут быть увеличены в 1,3-1,5 раза.
Это направление определено как одно из приоритетных в программе создания собственных источников электроснабжения ОАО «Газпром».
В газотранспортную систему входят 3645 газораспределительных станций, обеспечивающих выдачу газа в газораспределительные системы (системы газопроводов низкого и среднего давления, обеспечивающие доставку газа розничным потребителям) [2].
Идея преобразования энергии сжатия природного газа в электрическую энергию имеет давнюю историю. Смысл ее состоит в том, чтобы рационально использовать перепад давлений природного газа (от 55-75 атм. до 0,1-0,5 атм.) при редуцировании на ГРС (ГРП) на всем пути от газового месторождения к потребителю.
Для России, которая является крупнейшим в мире производителем и потребителем природного газа реализация этой идеи имеет особое значение.
По оценкам специалистов, детандер-генераторные установки мощностью от 2,5 до30 МВт можно установить более чем на 600 газораспределительных станциях и пунктах газовых сетей России. Их суммарная мощность превысит 2750 МВт, и они смогут производить около 22 млрд кВт-ч год, что позволит ежегодно экономить примерно 6 млрд куб.м газа и
создавать Единиц Сокращения Выбросов (ЕСВ) в размере около 15 млн. тонн СО2 эквивалента [3].
Детандер-генераторный агрегат представляет собой устройство, в котором энергия потока транспортируемого природного газа преобразуется сначала в механическую энергию в детандере, а затем в электроэнергию в генераторе. При этом природный газ используется в качестве рабочего тела (без его сжигания).
Анализ работы детандер-генераторных агрегатов показал, что ДГ А, хотя и позволяют, используя технологические перепады давления транспортируемого природного газа, получать электроэнергию со значительно более высокой экономичностью, чем традиционные паротурбинные и газотурбинные установки, но обеспечение их работы требует наличия большого количества низкопотенциального теплоносителя или сжигания топлива. Это связано с тем, что при работе детандер-генераторных агрегатов происходит значительное понижение температуры газа. Если температура газа понизится слишком сильно, то возможно появление и выпадение гидратов в редуцируемом газе, что является недопустимым. Для предотвращения гидратообразования температуру газа необходимо поддерживать на определенном уровне в зависимости от давления и влажности газа. Система подогрева газа является одной из основных систем, определяющих технико-экономические показатели ДГА. Ее тепловая мощность выбирается по условиям обеспечения нормальной работы ГРС при самых экстремальных параметрах редуцируемого газа. Эта тепловая мощность эквивалентна, примерно, мощности детандера, а ее стоимость, по разным оценкам, может составлять до 40% общей стоимости ДГА. Анализ работы подогревателей газа на ГРС, проведенный специалистами ОАО «ГАЗПРОММАШ», показал, что реальная тепловая мощность составляет не более 40 % [4].
Вопрос выбора источника подогрева газа является одним из основных при принятии решения о целесообразности использования этих агрегатов. Кроме того, показатели системы подогрева газа существенно влияют на эксплуатационные затраты ДГ А и, как следствие, на себестоимость производимой ДГ А электроэнергии. Поэтому выбор и оптимизация схемы подогрева газа в ДГА является одной из приоритетных задач, решаемых при их проектировании.
Выбор схемы для подогрева газа перед детандером зависит от назначения и места нахождения газоредуцирующей станции. Если это ТЭС, то возможно использование уходящих газов, отборного пара и прямой сетевой воды. Если это газотурбинная электростанция, то используются уходящие газы после турбины. Если это жилой район или поселок, то для подогрева газа на ГРС устанавливается специальная газовая печь. Обеспечение ее работы требует сжигания топлива. Это приводит к расходу части транспортируемого газа и химическому и тепловому загрязнению окружающего воздушного бассейна.
Наличие значительного количества электроэнергии на ГРС при работе ДГ А позволяет отказаться от огневого способа подогрева газа, перейдя на электроподогрев редуцируемого газа. Данная технология позволяет получить значительное улучшение следующих показателей ГРС. Во-первых, повышение пожаробезопасности: убирается из состава ГРС газовая печь. Во-вторых, не тратится газ, который шел на работу газового подогревателя. В-третьих, повышаются экологические характеристики ГРС.
Известен способ работы детандерной установки, позволяющий обеспечить работу ДГА без сжигания топлива. Суть предложенного способа заключена в том, что подогрев газа перед детандером производится с помощью теплонасосной установки (ТНУ), использующей часть энергии, вырабатываемой электрогенератором ДГА, для обеспечения своей работы. При этом для подогрева газа используется низкопотенциальная энергия. В качестве источника этой энергии могут быть использованы теплота окружающей среды или вторичные энергетические ресурсы предприятий. Данная технология требует значительного усложнения оборудования ГРС и пока экономически не целесообразна [5].
Уровень полезной мощности, вырабатываемой ДГА, определяется расходом газа через турбину и перепадом давления на ней. Чем больше эти величины, тем больше вырабатываемая электрическая энергия. При отсутствии в городах газгольдерных станций, выравни-
вающих суточную неравномерность потребления газа, режим прохождения газа через ГРС очень неравномерный.
Потребление газа изменяется по месяцам, дням недели или календарным дням, по часам суток. В зависимости от отрезка времени, в течение которого расход газа считают постоянным, различают: сезонную неравномерность, или неравномерность по месяцам года; суточную неравномерность, или неравномерность по дням недели, месяца или года; часовую неравномерность, или неравномерность по часам суток. Режим расхода газа городом зависит от режима отд. групп потребителей и их долевого участия в общем потреблении. Неравномерность расходования газа обусловлена многими факторами: климатическими условиями, режимом работы предприятий и их газооборудования, укладом жизни населения и газооборудованием квартир. Неравномерность потребления существенно сказывается на экономических показателях систем газоснабжения.
Природный газ транспортируют по магистральным газопроводам с давлением около 75 атм., а затем снижают давление до 1 атм. на пунктах редуцирования в два этапа:
1) Первый этап - это газораспределительная станция (ГРС), где давление от транспортного снижается до 1,2.. .1,6 МПа;
2) Второй этап - снижение давления газа на газораспределительном пункте (ГРП) до давления, необходимого потребителю 0,1.. .0,3 МПа. При этом потенциальная и кинетическая энергии потока газа не совершают никакой полезной работы.
На рисунке представлена блок-схема газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством, блоком электроподогрева газа, системой датчиков и микропроцессорным устройством управления [6].
Электросеть
Г азораспределительная станция с электрогенерирующим устройством
Станция работает следующим образом. Газ по входному трубопроводу высокого давления 1 поступает на вход фильтра 2, где он очищается от мелких механических примесей и влаги. С выхода фильтра 2 газ поступает через счетчик газа 3 на теплообменник электропо-
87
догревателя 4, где газ подогревается до температуры 30-70С0 и далее подается на вход детандера 12. Детандер 12 представляет собой тепловую машину, рабочим телом в которой является транспортируемый природный газ. Энергия природного газа при его расширении в детандере 12 преобразуется в механическую энергию вращения его вала, которая затем, в соединенном с детандером 12 электрогенераторе 13, преобразуется в электрическую энергию. Автоматический выключатель 14 установлен на электроподогреватель газа 4, где используется для подогрева транспортируемого газа. Детандер-генераторный агрегат, состоящий из детандера 12 и электрогенератора 13, выполнен без редуктора по схеме «единый вал». При этом частота генерируемого напряжения определяется скоростью вращения общего вала детандер-генераторного агрегата. Так, при скорости вращения детандера в 12000 об/мин частота генерируемого напряжения будет равна 200 Г ц. Это напряжение подается на регулятор напряжения 15 электроподогревателя газа 4 и на вход преобразователя частоты 19 выполненного по схеме многомостового инвертора «с явным звеном постоянного тока». С выхода преобразователя 19 напряжение частотой 50 Гц через систему автоматических выключателей 16, 21, 23, 24, 25 и силовой трансформатор 22 подается внешним потребителям электроэнергии. Газ с выхода детандера 12 после расширения и совершения им работы поступает в трубопровод низкого давления 6. Датчики температур 8, 17 измеряют температуру газа на входе и выходе из детандера 12. Датчики давления 9, 18 измеряют давление газа на входе и выходе из детандера 12. Датчики потока и влажности 10, 11 измеряют поток и влажность газа на входе в детандер 12. Сигналы с датчиков температуры 8, 17, давления 9, 18, потока и влажности 10, 11 поступают в микропроцессорное устройство 20. На основании полученной информации и заложенной программы ее обработки вырабатывается управляющий сигнал, который подается на управляющий вход регулятора напряжения 15. При поступлении на вход ГРС газа с более высокой температурой или при уменьшении расхода газа количество электроэнергии, подаваемое на электроподогреватель газа 4, уменьшается. При увеличении влажности газа для предотвращения выпадения гидратов подогрев газа увеличивается. Таким образом, на подогрев газа расходуется минимально необходимое количество электроэнергии, а весь остаток выработанной электроэнергии передается во внешнюю электросеть потребителям, тем самым, повышая экономическую эффективность работы ГРС.
Расход электроэнергии на подогрев газа в обычных условиях не превышает 20-25% от общего количества вырабатываемой электрогенератором электроэнергии. При неблагоприятном сочетании параметров в процессе редуцирования газа расход электроэнергии на подогрев газа может составить до 90% . Но даже в этом случае электроподогрев газа позволяет сохранить высокие показатели ГРС по пожаробезопасности и экологичности.
Основным преимуществом предложенной газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством является то, что в ней максимально используется энергия газа высокого давления для выработки электроэнергии и подогрева газа.
Оценка располагаемой мощности ГРС (ГРП), которая может быть получена при помощи турбодетандерного агрегата, определяется из уравнений [7]:
N = ОИад- Пт -Пг, (1)
к
н =—• ъ ■ я • т
АД к. -1 1
ку -1 1 - ^ к V
Р1
(2)
где Р1 Р2- давление газа на входе и выходе турбодетандера, МПа, Т - температура газа на ’ 2 входе, К, О - массовый расход газа через ГРС (ГРП), кг-с/см , НАд - перепад энтальпий при
адиабатическом процессе расширения газа в турбодетандере, кДж/кг, пт - внутренний КПД турбодетандера, Пг - внутренний КПД электрогенератора, к. - объемный показатель адиабаты, Я - газовая постоянная, кДж/кг-К, Тх - температура газа на входе в турбодетандер, МПа, Ъ - коэффициент сжимаемости газа при условиях входа в турбодетандер.
Одной из основных проблем в существующих ДГА является проблема поддержания частоты вращения ротора турбодетандера на холостом ходу и при переменном расходе газа. Наличие в схеме преобразователя частоты позволяет реализовать режим работы ДГА: переменная скорость вращения - постоянная частоты генерируемого напряжения. Это позволяет упростить конструкцию детандера, оптимизировать его работу при переменном расходе газа через детандер, сохраняя при этом параметры генерируемого напряжения в соответствии с ГОСТ 13.109-97.
Вывод
В настоящее время известно значительное количество разработок, использующих турбодетандорную технологию редуцирования газа с попутной выработкой электроэнергии, как в зарубежных странах, так и в России. Однако широкого применения детандерные установки еще не получили при всей, казалось бы, очевидности их высокой эффективности. Причины такого положения, как нам представляется, кроются в том, что при утилизации энергии на ГРС задача решается недостаточно комплексно, без использования системного подхода, а также в стремлении максимально «приспособить» традиционные технические и конструктивные решения при создании оборудования, в частности детандерных установок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генеральная схема развития газовой отрасли на период до 2030 года: проект. М.: Минэнерго, 2008. 145 с.
2. Моргунов Е.В. Современное состояние и прогноз развития газовой отрасли России / Е.В. Моргунов, Д.Г. Николаишвили // Проблемы рыночной экономики: сб. тр. М.: ИПР РАН, 2004. C. 23-36.
3. http://www.le.by.
4. Агабабян Р.Е. Рекомендации по подбору подогревателей газа для использования в составе ГРС, КС / Р.Е. Агабабян, Н.М. Соловьёва, П.В. Хворостян //
http://www.gazprommash.ru/factory/articles/vestnik_st4.
5. Агабабов В.С. Бестопливные установки для производства электроэнергии, теплоты и холода на базе детандер-генераторных агрегатов / В.С. Агабабов // Новости теплоснабжения. 2009. № 1 (101). http://www.ntsn.ru.
6. Пат. на полезную модель №81767 РФ, МПК 7 F01D 15/08. Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством / В.В. Курдя, И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, П.Г. Антропов, А.Г. Сошинов, В.Д. Куликов. Опубл. 27.03.2009 г.
7. Мальханов О.В. Разработка технологических схем и методов расчетов энергосберегающих турбодетандерных установок: автореферат дис. ... техн. наук / О.В. Мальханов. М., 2009. 24 с.
BIBLIOGRAPHY
1. General scheme of Gas Sector Development for the period up to 2030: the project. М: Ministry for the Power Generating Industry, 2008. 145 p.
2. Morgunov E.V. Current status and outlook of Russia’s gas industry / E.V. Morgunov,
D.G. Nikolaishvili // Problems of market economy: proceedings. М.: Ieper of the Russian Academy of Sciences, 2004. P. 23-36.
3. http://www.le.by.
4. Agababjan R. E. Recommendations on selection of gas heaters for use in GRS, КС / R. E. Agababjan, N.M. Solovyova, P.V. Hvorostjan // http://www.gazprommash.ru/factory/articles/vestnik_st4.
5. Agababov V. S. Fuel-free plants for the production of electricity? heat and cold on the basis of expander-generator sets / V. S. Agababov // News heat supply. 2009. № 1 (101). http://www.ntsn.ru.
6. Utility patent №81767 of the Russian Federation, MnK 7 F01D 15/08. Gas distribution station with photovoltaic power / V.V.Kurdja, I.I.Artjuhov, S.F.Stepa, P.G.Antropov, A.G.Soshinov, V.D.Kulikov. Published 3/27/2009
7. Malkhanov O.V. Development of technological schemes and methods of calculating energy-efficient turbo-expander plants: synopsis: diss..........technical sciences / O.V. Malkhanov. M.,
2009. 24 p.
Степанов Сергей Федорович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Коваленко Василина Васильевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Дубинин Александр Борисович -кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета
Stepanov Sergey Fedorovich -
Doctor of Technical Sciences, the professor of chair
«Electricity supply of industrial enterprises» Saratov state technical university
Kovalenko Vasilina Vasilevna -
Ph. D. of Technical Sciences, the lecturer of chair «Electricity supply of industrial enterprises» Saratov state technical university
Dubinin Alexander Borisovich -
Ph. D. of Technical Sciences, the lecturer of chair «Power system» Saratov state technical university
