Энергосберегающая установка для газоснабжающих систем, использующая тепловой насос на СО2

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГАЗОСНАБЖАЮЩИХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ТЕПЛОВОЙ НАСОС НА СО2

А.А. АЛЕКСАНДРОВ, Е.В. ДЖУРАЕВА Московский энергетический институт

Описана установка для получения электроэнергии за счет использования перепада давления магистрального газа в детандер-генераторном агрегате, работающем совместно с тепловым насосом. Рассмотрена зависимость ее мощности от температуры подогрева газа при одноступенчатом и двухступенчатом детандере.

При функционировании магистральных газоснабжающих систем на газораспределительных станциях (ГРС) производится снижение давления транспортируемого природного газа от 7,5 до 1,2 МПа, а на газораспределительных пунктах (ГРП) - от 1,2 до 0,2 МПа. В настоящее время для такого понижения давления газа применяются дроссельные устройства. Однако этот процесс можно осуществить и в детандер-генераторном агрегате (ДГА), использовав перепад давления для получения работы и выработки электроэнергии. В случае применения ДГА газ перед впуском в детандер необходимо подогревать, так как при расширении от начальных температур, характерных для магистрального газа (от -5 до 10оС), температура его в конце расширения может достигать очень низких значений, недопустимых по условиям работы оборудования (-98...-83оС). Подогрев газа приводит и к увеличению получаемой в ДГА работы.

Для подогрева магистрального газа могу быть использованы любые тепловые источники [1], но применительно к ГРП и ГРС, где, как правило, отсутствуют вторичные тепловые ресурсы, перспективным является подогрев с помощью теплового насоса. В установке, включающей ДГА и тепловой насос, выработка электроэнергии производится без сжигания топлива. Схема такой установки показана на рис. 1.

1

Рис. 1. Схема установки: 1 - теплообменник; 2 - испаритель; 3 - компрессор;

4 - детандер-генераторный агрегат

Одним из перспективных рабочих веществ для теплового насоса является диоксид углерода СО2, обладающий такими качествами, как пожаробезопасность, что особенно важно для ГРП и ГРС, и низкий потенциал озоноразрушения;

© А.А. Александров, Е.В. Джураева Проблемы энергетики, 2007, № 11-12

степень повышения давления в компрессоре для него намного ниже, чем для фреонов. Отличие же его применения связано с тем, что при осуществлении цикла в тепловом насосе он находится в сверхкритическом состоянии. Т, «-диаграмма такого цикла показана на рис. 2. Здесь контуром 1-2-3-4-1 представлен цикл теплового насоса с использованием дросселя и без регенерации, поскольку в работе [2] показано, что при совместной работе с ДГА применение регенерации в тепловом насосе нецелесообразно. г, к

370 350 330 310 290

270

-1,9 -1,7 -1,5 -13 -1,1 -0,9 -0,7 *

кДж/кг>К

Рис. 2. Т, «-диаграмма цикла теплового насоса на СО2

При работе ДГА совместно с тепловым насосом часть выработанной электроэнергии тратится на привод компрессора, причем эта часть существенно возрастает при возрастании температуры, до которой необходимо сжимать СО2, чтобы обеспечить заданный подогрев природного газа. Для определения оптимальных условий работы такой установки разработана компьютерная программа, в которой термодинамические свойства СО2 вычисляются по уравнению состояния [3], а свойства природного газа (метана) рассчитываются по программе, описанной в работе [4]. При расчетах энергетических характеристик установки КПД детандера и компрессора приняты равными 0,8, температура кипения СО2 в испарителе варьировалась от 5 до 25оС. Давление и температура СО2 после сжатия в компрессоре находились, исходя из условия обеспечения заданной температуры подогрева газа, с учетом q, ^-диаграммы этого процесса при принятой минимальной разности температур в теплообменнике 1 (рис. 1), равной 5оС.

На рис. 3. показаны зависимости мощностей: ДГА - Лдга при перепаде давления 7,5/1,2 МПа, компрессора - Лю и установки N - от температуры подогрева газа, рассчитанные для расхода газа 1 кг/с, при начальной температуре его, равной *г1 =5оС. Там же показано и изменение относительного расхода СО2 (кг СО2/кг СН4) при принятой температуре его перед дросселем 4 =20оС и температуре кипения в испарителе ^ =5оС. Из этих данных следует, что при повышении температуры подогрева газа прирост затрат мощности на привод компрессора существенно увеличивается, достигая величины прироста мощности ДГА, а затем и превышая его. В результате суммарная мощность установки N имеет пологий максимум при температуре газа 60оС. Диаграмма #, * процесса теплообмена в теплообменнике для этих условий показана на рис. 4. Поскольку изобарные теплоемкости и сверхкритического СО2, и метана, который при давлении 7,5 МПа также находится в сверхкритическом состоянии, сильно изменяются с температурой [3], то и изменение разности температур теплоносителей в теплообменнике имеет сложный характер.

у

3 <

у \ 1

5 4

250

200

—

К

X

150

1,4 и

£

1,2 N О 18

1.0

—Л'яга

0,8 —— №

N

0,6

» Ссо2

0,4

0,2

0,0

/вх дга, С

Рис. 3. Зависимость мощностей ДГА, компрессора и установки от температуры подогрева газа

ко

70

60

50

и

40

30

20

10

о

*

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 0 7 0 8 0 9 0 100 1 о г: >0 1. *0 1 40 И

/С02, С ГСН4, С

Ч, кДж/кг

Рис. 4. q, £ - диаграмма процесса теплообмена в теплообменнике

Характер изменения мощности установки в зависимости от температуры подогрева газа при других температурах СО2 в испарителе показан на рис. 5. При увеличении этой температуры несколько возрастает и оптимальная температура подогрева газа. Значения мощности установки, отопительного коэффициента теплового насоса ц и степени повышения давления в компрессоре для этих температур приведены в таблице.

Таблица

І1, 0с Перепад давления в ДГА, МПа/ МПа

7,5/1,2 1,2/0,2

Іопт, 0С N кВт Ц в = р2/р1 Іопт, 0С N кВт Ц в = 2р 1р

5 60 159,1 5,47 1,90 60 175,7 5,47 1,90

10 60 162,4 6,18 2,14 60 178,3 6,18 2,14

15 70 165,3 6,21 2,20 60 181,0 6,21 2,20

20 70 167,8 6,57 2,09 70 182,9 6,57 2,09

25 70 169,2 6,91 2,03 70 184,2 6,91 2,03

Однако при расширении метана в детандере от оптимальной температуры в этих двух случаях перепада давления температура на выходе из детандера достигает очень низких значений (рис. 5). Для перепада 7,5/1,2 МПа она составляет от -43,7оС до -35,4оС, а для перепада 1,2/0,2 МПа - от -33,8оС до 25,9оС. Использование такого процесса возможно только в случае принятия каких-либо специальных мер, например, при применении подогрева газа после расширения в детандере. При отсутствии таких мер газ перед детандером следует нагревать до более высоких температур. При желании иметь на выходе из детандера температуру около 0оС магистральный газ необходимо подогревать до температуры 100-110оС (рис. 5). Мощность установки при этом уменьшится на 5-10 кВт по сравнению с величинами, приведенными в таблице. Отметим, что они получены при условии, что температура поступающего в установку газа 4м равна 5оС. При ее изменении изменяется количество теплоты, необходимой для нагрева газа до заданной температуры, и, соответственно, мощность теплового насоса. Это изменение составляет

где ср - изобарная теплоемкость метана. В диапазоне возможных температур

магистрального газа изобарная теплоемкость метана при давлении 7,5 МПа составляет 2,6 кДж/(кгК) [4], а при давлении 1,2 МПа - 2,1 кДж/(кгК).

«-5-С

— „=1»-С

— „=15-С

* ,-20-С

« = 25-С

вм\ лга

/в» дга, С

Рис. 5. Зависимость мощности установки при различных температурах испарения СО2 и температуры на выходе из детандера от температуры подогрева газа

Отопительный коэффициент при температуре 100-110оС равен д = 3,7-3,9.

Поэтому изменение мощности установки при изменении температуры магистрального газа при давлении его 7,5 МПа составит 0,65 кВт/К, а при давлении 1,2 МПа - 0,5 кВт/К.

Увеличение мощности комбинированной установки можно получить при применении в тепловом насосе детандера вместо дросселя. Результаты расчетов, проведенных при принятом КПД этого детандера 0,8, показывают, что оптимальная температура подогрева газа в этом случае смещается в сторону увеличения до 70-90оС (рис. 6), а мощность установки возрастает на 3,5-4 кВт в расчете на расход газа 1 кг/с.

Рис. 6. Зависимость мощности установки при различных температурах испарения СО2 от температуры подогрева газа при использовании теплового насоса с детандером

Получить приемлемую температуру газа на выходе из детандера можно и применив двухступенчатое расширение газа с дополнительным подогревом его между ступенями детандера. Схема такой установки представлена на рис. 7, а Т, s-диаграмма процессов, происходящих в этом случае в детандере, показана на рис. 8. При такой схеме и использовании для подогрева любых тепловых источников мощность двухступенчатого детандера больше, чем одноступенчатого, и увеличивается при увеличении температуры подогрева.

Рис. 7. Схема установки с двухступенчатым детандером: 1 - теплообменник; 2 - испаритель;

4 - детандер высокого давления; 5 - детандер низкого давления

Иначе обстоит дело при подогреве газа с использованием теплового насоса. В этом случае для дополнительного подогрева газа между ступенями детандера (процесс 2гд - 3г на рис. 8) затрачивается дополнительная мощность компрессора. При различных параметрах эта мощность может быть меньше или больше прироста мощности детандера за счет двухступенчатого расширения, что и определяет характер соотношения мощностей установок с одноступенчатым или двухступенчатым детандером.

т, к

350 320 300 290 270 •

250 I

8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0 10,2 10,4 10,6 10,8

.V, кДж/кг  К

Рис. 8. Т, «-диаграмма процесса расширения газа в двухступенчатом детандере

При одинаковой температуре газа на входе в первую и вторую ступени детандера (Тг1 = Тгз) и выбранных степенях понижения давления в каждой из них 01 = Рг1 / Ра и Рг =ра / рг2 для газа с постоянной изобарной теплоемкостью С р мощность

каждой ступени можно представить как

( 1-к \

1 - Р1 к П 01 ;

Рг1 Ра У РҐ / г

А  / /

/ ; / /

/ / /

2г^ , Ч •К 4Г

N і — срТ і

N 2 — срТ 1

Ч У

г 1-к \

1 - в 2 к

У

П о

Тогда изменение мощности детандера при изменении температуры подогрева газа составляет

^ 1-к 1-к >

Рі Р 2

2 - в 1 к - в

к

П ОІ

то есть является постоянной величиной. Теплота, дополнительно подводимая для подогрева газа между ступенями детандера, равна

9 доп — ср (ТГ 3 ТГ 2 )’

где

Г 1-к 1

Тд — Г2 - і Г Т Г1 - Т Г1 в 1к П оі

^ )

Т Г 2 — Т Г1

1-к.

(1 - ПОІ )+ в 1 к Поі

2

и прирост ее с увеличением температуры подогрева

( 1-к >

(доп/ дТГ1 ) = ср 1 - Р і *

ч

П с

также является постоянной величиной. Мощность же компрессора, необходимая для ее подвода, согласно (1), изменяется как

( 1-к Л !

1 - в 1 *

П сі Д - (дд/дтГ 1 )г

/ Д

Поскольку (9д/ 5Гг 1 )т < 0, то дополнительная затрата мощности

компрессора при повышении температуры подогрева газа возрастает и может существенно превосходить затрату мощности при одноступенчатом детандере.

На рис. 9 показана зависимость от температуры газа мощности установки с двухступенчатым детандером в сопоставлении с мощностью при одноступенчатом детандере. При этом общий перепад давления магистрального газа Рг 1І Рг 2 =7,5/1,2 МПа с учетом потери давления между ступенями распределен как в 1=7,5/3,15 МПа и в 2=3,0/1,2 МПа, КПД ступеней детандера приняты одинаковыми п оі = 0,8, а температура входящего магистрального газа ігм =0оС. Из данных этого рисунка следует, что при высоких температурах мощность установки с двухступенчатым детандером меньше, чем установки с одноступенчатым, при одинаковой температуре подогрева газа. Однако такое сравнение не показательно, так как на выходе из детандера газ в этом случае будет иметь очень разную (при одноступенчатом детандере - зачастую недопустимую) температуру. Более наглядным является сравнение мощностей установок при одинаковой температуре газа на выходе из детандера, как это показано на рис. 9 для температуры і = 0оС. В этом случае следует сопоставлять мощности установок в точках А и В.

Рис. 9. Зависимость мощности установки от температуры подогрева газа при одноступенчатом и двухступенчатом детандерах. Пунктирные линии - одноступенчатый детандер, сплошные -

двухступенчатый детандер

Исходя из условия безопасности работы следует определить и промежуточное давление газа ра. Для этого, выбрав нужное значение

температуры газа на выходе из детандера ТГ4, из уравнения (2) с учетом

соотношения в 2 = Ра / Рг 2 можно получить

1-Л

Ра = Р Г 2

д

Г 4 1 'loi

ТГ 3 П oi П о

Использование двухступенчатого ДГА не приводит к существенному повышению мощности установки, но позволяет осуществить безопасный режим работы при более низкой температуре подогрева газа.

Вывод

Применение ДГА на ГРП и ГРС систем газоснабжения совместно с тепловым насосом позволяет осуществить выработку электроэнергии без сжигания топлива. Этот способ получения электроэнергии является экологически безопасным, а использование в качестве рабочего вещества теплового насоса негорючего и дешевого диоксида углерода создает хорошую перспективу его применения.

Работа поддержана грантом РФФИ № 05-08-01438

Summary

The installation is described which is producing а electricity using а pressure drop of transported gas. The dependence is considered of its capacity on temperature of preheating of gas in cases of one-stage and two-stages detanders.

Литература

1. Сравнение различных способов подогрева газа в детандер-генераторном агрегате / В.С. Агабабов, Н.В. Галас, А.В. Корягин и др. // Теплоэнергетика. - 2003.

- № 6. - С. 46-50.

2. Александров А.А., Джураева Е.В. Совместная работа детандер-генераторного агрегата и теплового насоса, использующего СО2 в качестве хладагента // Вестник МЭИ. - 2007. - № 4.

3. Wagner W., Spane R. Equation of State for Technical Applications. 111. Results for polar fluids // Int. J. Thermophysics. - 2003. - V. 24. - No. 1. - Р. 111-162.

4. Джураева Е.В., Александров А.А. Эксергетический анализ процессов, происходящих в детандер-генераторном агрегате // Теплоэнергетика. - 2005. - № 2.

- С. 73-77.

Поступила 26.03.2007