CC BY
100
УДК [621.515:621.438] :621.64
Ю. М. Худалиев, Н. Д. Шишкин Астраханский государственный технический университет
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
Газовая промышленность является одним из самых крупных потребителей природного газа и энергии. Увеличение добычи газа сопровождается повышением расхода топливного газа и увеличением выхода вторичных энергоресурсов (ВЭР) при транспортировке газа, величина которого может достигать 82 млрд м3/год [1].
При транспортировке газа по магистральным газопроводам применяются центробежные компрессоры, сжимающие газ до давления 5-8 МПа и подогревающие его до температуры 80-110 °С. Высокая температура газа при нагнетании может разрушить гидроизоляцию транспортного трубопровода, кроме того, при повышении температуры компримированного газа снижается его плотность и уменьшается пропускная способность газопровода. Для понижения температуры газа устанавливаются агрегаты воздушного охлаждения (АВО), понижающие ее до 40 °С. Таким образом, теплота, отводимая от компримированного газа, уходит в атмосферу. В связи с этим актуальна утилизация теплоты компримированного газа: на подогрев приточного вентиляционного воздуха на компрессорной станции, отопление ее помещений, производство холода и т. д.
Одним из наиболее эффективных средств термодинамического анализа энергопроизводящих и энергопотребляющих установок является эк-сергетический метод [2]. В эксергетическом методе учитывается не только количество, но и качество потоков эксергии, что позволяет наилучшим образом проанализировать исследуемый объект.
Целью настоящей работы являются:
— эксергетический анализ турбокомпрессорных газоперекачивающих агрегатов (ТГПА);
— оценка термодинамической эффективности применения ВЭР дымовых газов и теплоты компримированного газа;
— определение возможности утилизации ВЭР дымовых газов и теплоты компримированного газа.
Решение этих задач позволит определить оптимальные с термодинамической точки зрения варианты применения ВЭР дымовых газов и теплоты компримированного газа и дать практические рекомендации по их применению для нужд компрессорной станции.
При эксергетическом анализе эксергия потока рабочего вещества (метан, воздух, дымовые газы) может быть рассчитана по известной формуле [3]:
е — / — ¡0 — Т0 ( $ — $0 ),
где ¡, $ - энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг К), ¡0, $0 - энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кгК), при температуре t = 15 0С и давлении р = = 0,1033 МПа окружающей среды.
Удельная эксергия топливного газа ет.г может быть принята равной высшей удельной рабочей теплоте сгорания 0рв.
Потери эксергии в элементах системы можно рассчитать с помощью эксергетического баланса элемента.
Эксергетический баланс турбины
Евх — Евых + Ь +
где Евх, Евых - входящие и выходящие потоки эксергии рабочего тела; Ь - работа отводимая от вала турбины; Ю - потери эксергии в турбине. Эксергетический баланс компрессора
Ь + Евх — Евых + £Д
где Евх, Евых - входящие и выходящие потоки эксергии рабочего тела; Ь - работа, подводимая к валу компрессора; Ю - потери эксергии в компрессоре.
Эксергетический баланс теплообменника
ЕАвх ЕАвых ЕВвых ЕВвх + ^D,
где ЕАвх, ЕАвых - входящие и выходящие потоки эксергии тела А; ЕВвх, ЕВвых - входящие и выходящие потоки эксергии тела В; Ю - потери эксер-гии в теплообменнике.
Для проведения эксергетического анализа был выбран турбоком-прессорный газоперекачивающий агрегат ГТК-10-2 номинальной мощностью 10 МВт [4]. Схема агрегата приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема ТГПА: Т- турбина; КС - камера сгорания; ТО - теплообменник; ВК - воздушный компрессор; НГ - нагнетатель газа;
АВО - агрегат воздушного охлаждения
Газотурбинная установка (ГТУ) в ТГПА работает по циклу с регенерацией тепла продуктов сгорания. Воздух, подаваемый в камеру сгорания, по-
догревается в теплообменнике от дымовых газов, так что энергия, расходуемая на подогрев воздуха в КС, уменьшается и экономичность ГТУ возрастает. Основные технические показатели ТГПА приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные технические показатели турбокомпрессорного газоперекачивающего агрегата ГТК-10-2
Параметр Единица измерения Значение параметра
Мощность МВт 10
Расход топлива кг/с 0,646
Давление топливного газа МПа 1,47
Температура продуктов сгорания оС 780
перед турбиной
Температура продуктов сгорания за турбиной оС 495
Степень сжатия осевого компрессора - 4,4
Расход воздуха через компрессор кг/с 86,2
Температура воздуха за компрессором оС 190
Степень регенерации - 0,7
Температура воздуха оС 404
после регенератора
Температура продуктов сгорания оС 294
после регенератора
Производительность нагнетателя м3/с 339
Политропный КПД нагнетателя % 85
Давление нагнетателя на входе МПа 4,31
Давление нагнетателя на выходе МПа 5,49
Степень сжатия нагнетателя - 1,27
Число рабочих колес нагнетателя - 1
Расчетные значения эксергии приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения эксергии по участкам
№ участка Е, кВт D, кВт Пе Элемент системы
1 37 100
1-5 - 15 340 0,75 КС
2 0
3 2 670
2-3 - 510 0,92 ВК
4 6 900
5 28 660
6 15 880
5-6 - 2 780 0,89 Т
7 6 340
3-4/7-6 - 5 310 0,72 ТО
8 70 890
9 77 000
8-9 - 710 0,91 НГ
10 75 200
11 0
12 1 040
9-10/11-12 - 760 0,6 АВО
На основании данных табл. 2 построена диаграмма эксергетических потоков ТГПА (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма эксергетических потоков ТГПА
Из диаграммы видно, что 62 % потока эксергии, выходящего из турбины, уходит вместе с дымовыми газами, а 38 % расходуется на привод нагнетателя и воздушного компрессора. Около 61 % потока эксергии, уходящего с дымовыми газами, используется в регенераторе для подогрева воздуха перед камерой сгорания, оставшиеся 39 % уходят в атмосферу и не используются, а это составляет более 6 МВт, что соизмеримо с затратами на привод нагнетателя.
Оценки эксергетического КПД по формулам, приведенным в [3], показывают, что наибольшие потери эксергии в ГТУ относятся к камере сгорания и теплообменнику-регенератору, эксергетический КПД которых соответственно пе = 0,75 и пе = 0,72. Большая часть потерь в теплообменнике связана со сравнительно высокой температурой уходящих газов ^ = 294 оС). Несмотря на высокий КПД остальных элементов (около 90 %), общий КПД ГТУ значительно ниже - пе = 0,28. В газоперекачивающем агрегате максимальные потери эксергии приходятся на агрегат воздушного охлаждения, его эксерге-тический КПД Пе = 0,6.
По результатам эксергетического анализа можно предложить схему по утилизации ВЭР ТГПА (рис. 3). Тепло компримированного газа возможно использовать для подогрева вентиляционного воздуха. Уходящие дымовые газы можно использовать для подогрева топливного газа, для отопления компрессорной станции.
Рис. 3. Схема ТГПА с утилизацией вторичных энергоресурсов: Т - турбина; КС - камера сгорания; ТО - теплообменник; ВК - воздушный компрессор; НГ - нагнетатель газа;
АВО - агрегат воздушного охлаждения; КУ - котел-утилизатор
Вторичные энергоресурсы ТГПА (рис. 3) применяются для подогрева газа и воздуха перед КС, для подогрева воды, которую можно использовать для нужд теплоснабжения компрессорной станции. Воздух после АВО можно использовать для подогрева воздуха в системе приточной вентиляции, что позволит сократить затраты газа на нужды компрессорной станции.
Выводы
1. Эксергетический анализ отдельных элементов и всего ТГПА в целом показал, что наибольшие потери эксергии в ГТУ относятся к камере сгорания и теплообменнику-регенератору, эксергетический КПД которых соответственно пе = 0,75 и це = 0,72. Большая часть потерь в теплообменнике связана со сравнительно высокой температурой уходящих газов ^ = 294 оС). Несмотря на высокий КПД остальных элементов ГТУ (около 90 %), общий КПД ГТУ значительно ниже - це = 0,28. В газоперекачивающем агрегате максимальные потери эксергии приходятся на агрегат воздушного охлаждения, его эксергетический КПД пе = 0,6.
2. Оценка термодинамической эффективности применения ВЭР дымовых газов и теплоты компримированного газа позволила заключить, что эксергия уходящих дымовых газов соизмерима с эксергией, затраченной на привод нагнетателя, и эксергия воздуха составляет 16 % эксергии ды-
мовых газов. Они вполне могут быть использованы на нужды компрессорной станции.
3. Дымовые газы и теплота компримированного газа могут быть использованы на нужды компрессорной станции:
- для отопления помещений;
- на подогрев вентиляционного воздуха;
- для выработки электроэнергии;
- для подключения дополнительных нагнетателей с приводом от турбины, работающей в диапазоне от 300 до 50 оС.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Шишкин Н. Д., Худалиев Ю. М. Оценка вторичных энергоресурсов компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестн. Астрахан. гос. техн. унта. - 2006. - № 6 (29). - С. 177-180.
2. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В. М. Бродянского. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.
3. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие / Под ред. А. А. Долинского, В. М. Бродянского. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
4. Поршаков В. П., Лапатин А. С. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций. - М.: Недра, 1992. - 207 с.
5. Шанин Б. В., Новгородский Е. Е., Широков В. А. Энергосберегающие установки в промышленности и защита воздушного бассейна. - Н. Новгород: ВолгоВятское кн. изд-во, 1991. - 256 с.
Получено 19.09.2006
THE THERMODYNAMIC ANALYSIS OF SECONDARY POWER RESOURCES OF GASTURBOCOMPRESSOR UNITS
Yu. M. Khudaliev, N. D. Shishkin
Up to nowadays the majority of compressor plants (CP) of gasmain pipelines have not solved the problem of the usage of secondary power resources (SPR) of gasturbocompressor units (GTCU) yet. The exergic analysis has shown that the greatest losses of exergy are in a combustion chamber and a heat exchanger-regenerator of a gasturbine plant (GTU), and their exergic efficiency is accordingly the following: n = 0.75 and n = 0.72. The majority of losses in a heat exchanger is due to a rather high temperature of outgoing gases (t = 294 °C). Despite of high efficiency of other devices (about 90 %), the efficiency of GTU is much lower (n = 0.28). In gasturbocompressor units an air-cooling unit has maximum losses of exergy, and its exergic efficiency equals to n = 0.6.
