Экономические аспекты использования детандер-генераторных агрегатов в системе газовых сетей Чеченской Республики

УДК: 332.142.4:621.5.01

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ В СИСТЕМЕ ГАЗОВЫХ СЕТЕЙ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

© И.А. Керимов, А.-В.А. Саидов, Д.К.-С. Батаев, М.В. Дебиев

Ключевые слова: энергосбережение; газ; детандер-генераторный агрегат; электроэнергия.

Выполнен анализ функционирования газовых сетей и расчет располагаемой мощности на газораспределительных сетях Чеченской Республики. Приведен технико-экономический расчет внедрения детандер-генераторных агрегатов на ГРС и ГРП Чеченской Республики.

В настоящее время, в условиях роста цен все возрастающего спроса на энергоресурсы, особое значение приобретает проблема энергосбережения и использования нетрадиционных источников энергии.

Так, в 1996 г. был принят Федеральный Закон Российской Федерации «Об энергосбережении», за которым последовали и другие законодательные акты, нормативные и программные документы, регулирующие отношения в области энергопроизводства, энергопотребления и энергосбережения.

Одно из направлений энергосбережения - это применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА) для получения электроэнергии за счет использования технологического перепада давления газа в системах газоснабжения.

В мировой практике накоплен значительный опыт успешной эксплуатации ДГА. В отечественной и зарубежной научно-технической периодической литературе дается высокая оценка эффективности ДГА, которая определяется, прежде всего, меньшими удельными капитальными затратами и удельными расходами топлива на выработку электроэнергии, чем на паротурбинных энергоблоках [1-19].

Эффективность производства электроэнергии по технологиям с применением детандеров в два раза выше, чем на современных электростанциях. В России, где масштабы газификации промышленного и энергетического производств выше европейских, эта технология стала использоваться лишь в 1990-х гг. Между тем, идею использования давления магистрального газа для выработки дополнительной энергии предложил еще в 1947 г. академик М.Д. Миллионщиков [19].

Сегодня, учитывая более чем 10-летний опыт использования ДГА в России и СНГ, а также более чем двадцатилетний опыт их использования в Западной Европе и Америке, можно говорить об оживлении интереса рынка к этой продукции. Следует отметить и инвестиционную привлекательность этого сегмента рынка. По разным оценкам, ресурс внедрения ДГ-технологии в России и СНГ оценивается в 50008000 МВт. А это - загрузка энергомашиностроительных предприятий на многие годы. Срок окупаемости проектов - от 3 до 5 лет. Для потребителей же это -производство относительно дешевой, экологически

чистой электроэнергии на собственные нужды. Кроме того, это дополнительная экономия природного газа.

Программа развития энергетики Чеченской Республики на период 2011-2030 гг. предусматривает наряду с другими источниками ВИЭ также внедрение ДГА для получения электроэнергии [6].

При существующей в России системе газоснабжения снижение давления транспортируемого природного газа производится обычно на двух ступенях: на газораспределительных станциях (ГРС) и на газорегуляторных пунктах (ГРП) - и осуществляется за счет дросселирования.

От места добычи до места потребления природный газ транспортируется по трубопроводам при высоком (4-7,5 МПа) давлении. При использовании газа в качестве топлива в паровых и водогрейных котлах, печах и т.п. его давление перед горелочными устройствами составляет 0,12-0,3 МПа. В системе газоснабжения, технологическое снижение давления газового потока от давления в магистральном газопроводе до давления перед газоиспользующим оборудованием осуществляется обычно в два этапа. На первом на газораспределительных станциях (ГРС) давление газа снижается от давления в магистральном трубопроводе 4,0-7,5 МПа до 1,2-1,5 МПа, затем газ одорируется и по продукционным трубопроводам направляется на газорегуляторные пункты (ГРП) (второй этап), где давление снижается от 0,6-1,2 до 0,1-0,3 МПа. Температура газа на входе на ГРС и ГРП зависит от времени года и составляет в средней полосе России от -10 до +10 °С.

В процессе адиабатического дросселирования на станциях понижения давления энтальпия транспортируемого природного газа не изменяется, а теряется лишь потенциал энергии потока газа, связанный с его высоким по отношению к окружающей среде давлением. Этот потенциал характеризует возможность преобразования энергии газового потока в механическую энергию в каком-либо устройстве.

Альтернативой дросселированию является применение детандер-генераторных агрегатов. Основными частями детандер-генераторного агрегата являются детандер и электрический генератор. Существуют два типа таких аппаратов, отличающихся по принципу действия: кинетические и объемные. К машинам объ-

ємного действия относятся поршневые детандеры. Расширительные машины кинетического действия называются турбодетандерами (ТД), или газовыми расширительными турбинами (ГРТ).

Возможные схемы использования ДГА. В технической литературе за последние годы предложено много схем использования ДГА на ГРС и ГРП. Эти схемы различаются между собой по способу подогрева газа -до и/или после детандера; источниками теплоты, используемыми для нагрева, и получаемыми продуктами. Так, ДГА может вырабатывать только электроэнергию либо помимо электроэнергии сжиженный природный газ, холод и продукты разделения воздуха. Принципиально отличается от нее схема установки, в которой для подогрева транспортируемого газа перед детандером используется тепловой насос. Основным преимуществом рассматриваемой ДГУ является то, что для обеспечения ее работы не требуется сжигание топлива, достаточно использовать лишь низкопотенциальную энергию либо окружающей среды, либо вторичных энергетических ресурсов.

Вопрос выбора системы подогрева газа в ДГА (схемы подогрева и источника теплоты) является одним из важнейших, от его правильного решения в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы ДГА.

В нашей стране были проведены исследования термодинамических закономерностей при работе детандеров, при различных системах подогрева: перед детандером; перед и после детандера; перед детандером и в промежутке между ступенями; перед детандером, в промежутке между ступенями и после детандера. Эти исследования показали, что при одинаковых мощностях установок затраты топлива в случае подогрева газа до и после детандера будут меньше, чем в случае подогрева только до детандера. Разность в затратах будет определяться количеством теплоты, полученным напрямую из низкопотенциального источников. Для повышения КПД можно выбрать оптимальный способ подогрева газа.

Для подогрева газа используются высоко и низкопотенциальные источники энергии. К высокопотенциальным источникам теплоты относятся автономные источники теплоты; источники высокопотенциальной энергии, связанные с пароводяным циклом ТЭС; уходящие газы энергетических и пиковых водогрейных котлов. К автономным источникам теплоты относятся сбросная вода промышленных предприятий и теплота, получаемая при сжигании топлива в специально предназначенных для этой цели котлах. Источниками энергии высокого потенциала, связанными с пароводяным циклом ТЭС, могут быть пар из регенеративных или теплофикационных отборов турбин, конденсат пара регенеративных подогревателей и сетевая вода. Для подогрева газа могут использоваться уходящие газы энергетических котлов или газовых турбин. На ТЭЦ подогревать газ можно за счет энергии, выделяющейся в пиковых водогрейных котлах (ПВК). Низкопотенциальная энергия может быть получена, например, от циркуляционной воды, а также из окружающей среды.

Часто используется схема подогрева газа за счет теплоты теплонасосной установки. Эта установка позволяет получать электроэнергию без дополнительного сжигания топлива при утилизации давления транспор-

тируемого природного газа. Результаты расчетов для условий работы ГРП показывают, что такая установка позволяет полезно использовать свыше 70 % электроэнергии, выработанной ДГА [3].

При использовании ДГА в котельных на них может быть выработана электроэнергия, достаточная для покрытия около двух третей собственных потребностей котельной. Анализ основных технических и экономических причин, препятствующих широкому внедрению ДГА, показывает, что это, в первую очередь, - риск при долгосрочной окупаемости инвестиций. Это связано с тем, что мощность установки зависит от давления газа на входе в детандер. Происходят значительные потери в производительности и соответственно экономичности при работе на нерасчетных режимах, связанных с непредвиденным, но допустимым по условиям поставки газа снижением давления в газовых трубопроводах, а также из-за сезонных колебаний потребления газа в некоторых случаях.

Вместе с тем следует отметить, что детандеры просты в исполнении и при переделке на другие давления, и расходы не требуют значительных затрат. Имеют высокий коэффициент готовности (95-97 %) и высокий КПД в широком диапазоне нагрузок (от 25 до 100 %).

Система газоснабжения Чеченской Республики. Транзитом и поставками газа на территории Чеченской Республики занимается ОАО «Чеченгазпром». За 2009 г. по территории республики осуществлены транзитные поставки газа в объеме 18759,2 млн м3, в т. ч. транзитные поставки российским и закавказским потребителям -15636,0 млн м3 и для нужд Республики - 3123,14 млн-м3. Протяженность магистральных газопроводов с отводами ОАО «Чеченгазпром» в настоящее время составляет 698 км.

Реализацией газа потребителям и предприятиям внутри Чеченской Республики осуществляется ЗАО «Чеченрегионгаз». За 2009 г. ЗАО «Чеченрегионгаз» поставил потребителям республики 3689,3 млн м3, в т. ч. 566,2 млн м3 газа полученного от ОАО «Гроз-нефтегаз». Поставками и распределением газа на территории Чеченской Республики занимается ОАО «Че-ченгазпром». Протяженность магистральных газопроводов высокого давления в настоящее время составляет 698 км. За период с 2000 по 2008 гг. восстановлено и вновь построено более тридцати ГРС. На рис. 1 приведена схема размещения существующих и планируемых ГРС (Рвых. > 0,4 мПа) на территории Чеченской Республики.

Ресурсный потенциал сжатого газа определяется следующими параметрами: давлением газа на входе и выходе, КПД турбодетандера и генератора; расходом газа и термодинамическими характеристиками газа.

Оценка располагаемой мощности ГРС (ГРП), которая может быть получена при помощи турбодетандер-ного агрегата, определяется из уравнений:

Кр = бхЯддЛбЛ5 ,

где Q - массовый расход газа через ГРС (ГРП), нм3 /час (кг/с); НАд - перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в турбодетандере, кДж/кг; Пт и пг - кпд соответственно турбодетандера и генератора, 80 и 25 %;

Рис. 1. Схема расположения ГРС на территории ЧР

Таблица 1

Оценка потенциала (располагаемой мощности) на ГРС и ГРП ЧР

№ п/п Тип, название, местоположение Р 1 вых? мПа бч, тыс. м3/год бг, млн м3/год Располагаемая мощность, кВт

1 ГРС1 Грозный 0,6 286,74 149,9 6800

2 ГРС2 Грозный 0,6 118,28 332,9 2800

3 ГРС Мескер-юрт 1,2 27,73 177,20 900

4 ГРС Ойсхара 1,2 39,3 50,3 900

5 ГРС Гудермес 1,2 61,31 58,5 1400

6 ГРС Гиляны 1,2 14,96 29,7 300

7 ГРС Червленая 1,2 10,13 18,3 500

8 ГРС Аргун 1,2 30,63 105,2 700

9 ГРС Гиляны 1,2 14,96 29,7 400

10 ГРС Беной 0,6 10,63 2,6 200

11 ГРС Сержень-юрт 0,6 65,38 129,8 1500

12 ГРС Брагуны 0,4 5,43 11,7 100

13 ГРС Петропавловское 0,6 30,53 105,2 800

14 ГРС Г ойт-корт 0,6 46,93 80,5 1200

15 ГРС Г ойты 0,6 46,1 223,7 1200

16 ГРС-ВРУ Фрунзенское 0,6 47,24 242,1 1200

17 ГРС Ищерскоя 0,6 98,68 29,7 2400

18 ГРС Знаменская 0,6 46,41 87,5 1200

19 ГРС Братская 0,6 5,87 10,3 100

20 ГРС Калаус 0,6 5,63 9,9 100

21 ГРС Г орская 0,6 7,15 14,0 200

22 ГРС Хаян-корт 0,5 8,55 16,8 200

23 ГРС Самашки 0,6 79,42 20,7 1900

Всего 27200

н

к

кА

ал - , ,

1 -

грх

V Р у

к-1

где Я - газовая постоянная, кДж/кг-К; Т{- температура газа на входе в турбодетандер, К; 1 - коэффициент сжимаемости газа при условиях входа в турбодетандер; к - объемный показатель адиабаты; Р! - 2,0 ^ 2,4 МПа, Р2 - давление газа на выходе из турбодетандера, МПа.

Общий потенциал располагаемой мощности газа на ГРС Чеченской Республики оценивается величиной 27,2 МВт. Выработка электроэнергии оценивается величиной 220-250 МВт-ч и будет зависеть от режима

эксплуатации и конструктивных особенностей используемых схем эксплуатации (табл. 1).

Проведенные обследования определили, что ДГА могут быть эффективно использованы в первую очередь на 11 ГРС Чеченской Республики с установленной суммарной мощностью в 11,3 МВт и выработкой электроэнергии до 100 млн кВт-ч в год (табл. 2, 3).

С точки зрения энергосбережения при выработке электроэнергии на сегодня весьма перспективна не только утилизация тепла отходящих газов от газотурбинных двигателей, но и утилизация энергии избыточного давления природного газа, подводимого по газопроводам к ГРЭС (газораспределительная станция) или ГРП (газораспределительный пункт) крупных предприятий, компрессорных станций, ТЭЦ.

Таблица 2

Технико-экономическое обоснование использования ДГА. Предварительный расчет себестоимости и окупаемости одной энергоустановки мощностью 1,5 МВт

Наименование Ед. измерения Величина

Количество энергоустановок шт. 1

Электрическая мощность установки кВт эл. 1500

Стоимость энергоустановки (базовая) в Грозном тыс. руб. 22000,0

Проектные работы, строительство, монтаж, обучение персонала и т. д. тыс. руб. 6300

Количество персонала чел. 3

Моточасы в году (исключая 2 недели на сервисное обслуживание) ч/год 8000

Расчетные величины

Годовые расходы на эксплуатацию: тыс. руб./год 5400,0

Среднегодовые затраты на сервисное обслуживание (стоимость расх. материалов, зап. частей, инструментов для всех степеней тех. обслуживания, включая кап. ремонт) тыс. руб./год 3 900,0

зарплата обслуживающего персонала тыс. руб./год 540,0

Всего расходы за год эксплуатации: тыс. руб. 32740,0

Всего выработки электроэнергии в год тыс. кВт-ч 10000,0

Тариф на электроэнергию (с НДС) руб./кВт-ч 1,74

Годовые затраты на приобретение эквивалентного количества электрической энергии по тарифам ОАО «Нурэнерго»: тыс. руб./год 17400,0

Срок окупаемости лет год 1,9

Примечания: себестоимость электроэнергии 1 кВт-ч составляет - 0,715 руб.

Таблица 3

Предварительный расчет себестоимости и окупаемости энергоустановки мощностью 0,5 мВт

к

Наименование Ед. измерения Величина

Количество энергоустановок шт. 1

Электрическая мощность установки тыс. кВт 500

Стоимость энергоустановки (базовая) в Грозном тыс. руб. 4800,0

Монтаж, обучение персонала, тыс. руб. 2100,0

Количество персонала чел. 3

Моточасы в году (исключая 2 недели на сервисное обслуживание) ч/год 8000

Г одовая выработка электроэнергии тыс. кВт-ч 3200,0

Расчетные величины

Г одовые расходы на эксплуатацию тыс.руб./год 2400,0

Среднегодовые затраты на сервисное обслуживание (стоимость расх. материалов, зап. частей, инструментов для всех степеней тех. обслуживания, включая кап. ремонт) тыс. руб./год 1600,0

Зарплата обслуживающего персонала тыс.руб./год 900,0

Всего расходы за год эксплуатации тыс. руб. 9300,0

Всего выработки электроэнергии в год тыс. кВт-ч 3200,0

Тариф на электроэнергию (с НДС) руб./кВт-ч 1,74

Годовые затраты на приобретение эквивалентного количества электроэнергии по тарифам ОАО «Нурэнерго»: тыс. руб./год 5560,0

Срок окупаемости лет 1,7

Развитие технологий малой энергетики и создание собственных автономных энергетических систем на базе высокоэффективных турбодетандерных установок мощностью от 0,5 до 10 МВт в населенных пунктах и различных промышленных объектах является экономически обоснованным и перспективным.

Ресурсный потенциал сжатого газа определяется следующими параметрами: давлением газа на входе и выходе; КПД турбодетандера и генератора; расходом газа и термодинамическими характеристиками газа.

Внедрение детандер-генераторных технологий только на 5 ГРС позволит использовать безвозвратно теряющуюся энергию сжатого газа, с установленной суммарной мощностью в 13,1 МВт и выработкой электроэнергии до 100 млн кВт-ч в год.

Поскольку детандерные установки являются источниками чистой энергии, расчет экологического результата от их внедрения, выраженный в Единицах сокращения выброса (ЕСВ) парниковых газов (ПГ) и измеряемый в условных тоннах СО2 эквивалента, определяется как: 1 МВт-ч чистой энергии равен 0,68 условной тонны СО2.

Таким образом, при эксплуатации детандера мощностью 11,5 МВт в год образуется ЕСВ в размере около 79,0 тыс. условных тонн СО2. Реализация ЕСВ, получаемых в ходе осуществления проекта использования ДГА, может быть начата непосредственно после начала его осуществления, и первые платежи могут быть получены еще до начала эксплуатации детандеров [16].

В заключение необходимо отметить, что детандер-генераторы относятся к оборудованию, созданному по «бестопливным» технологиям, поддерживаемым Киотским протоколом к конвенции ООН по изменению климата. Поэтому реализация этих проектов может проводиться с использованием механизма привлечения средств за счет продажи квот на эмиссию парниковых газов [19].

ЛИТЕРАТУРА

1. Агабабов B.C., Корягин А.В. Определение энергетической эффективности использования детандер-генераторного агрегата в системах газоснабжения // Теплоэнергетика. 2002. № 12. С. 35-38.

2. Аксенов Д.Т. Выработка электроэнергии и «холода» без сжигания топлива // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». 2003. № 6. С. 21-25.

3. Анализ совместной работы детандер-генераторного агрегата и теплового насоса / Александров А.А., Агабабов B.C., Джурае-ва Е.В. [и др.] // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. № 7-

8. С. 50-60.

4. Бушин П.С. Опытно-промышленная газотурбинная расширительная станция на Среднеуральской ГРЭС // Энергетическое строительство. 1995. № 4. С. 57-61.

5. Гуськов Ю.Л., Малянов В.В., Давыдов Ю.Я., Агабабов B.C. Опыт эксплуатации детандер-генераторного агрегата на ТЭЦ-21 Мосэнерго // Электрические станции. 2003. № 12. С. 15-17.

6. Керимов И.А., Гайсумов М.Я., Ахматханов Р.С. Программа развития энергетики Чеченской Республики на 2011-2030 гг. // Наука и образование в Чеченской Республике: состояние и перспективы развития: материалы Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 10-летию со дня основания КНИИ РАН (7 апр. 2011 г., г. Грозный). Грозный, 2011. С. 38-63.

7. Керимов И.А., Гайсумов М.Я., Ахматханов Р.С. К возможности использования детандер-генераторных установок на газовых сетях Чеченской Республики // Наука и образование в Чеченской Республике: состояние и перспективы развития: материалы Всерос. науч.-практ. конф. , посвящ. 10-летию со дня основания КНИИ РАН (7 апр. 2011 г., г. Грозный). Грозный, 2011. С. 355-357.

8. Корягин А.В. Оценка показателей детандер-генераторных агрегатов, установленных на ГРС и ГРП // Энергосбережение и водопод-готовка. 2004. № 1. С. 71 -74.

9. Моисеев С. Применение утилизационных турбодетандерных установок для производства электроэнергии на ГРС, КС ДК «Укр-трансгаз» и ведомственных ГРП промышленных предприятий // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». 2003. № 6. С. 45-53.

10. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: пер. с англ. М.: Энергоиз-дат, 1982. 224 с.

11. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981. 110 с.

12. Столяров А.А. Состояние и перспективы применения турбодетандеров для установок разделения природных газов. Подготовка и переработка газа и газового конденсата // Труды ВНИИЭгазпром. 1983. Вып. 2. С. 12-16.

13. Truston А. Recovering energy in gas pressure reduction // Contr. And Instrum. 1991. V. 23. № 5.

14. Fasold H.-G., Wahle H.-N. Joule-Thomson-Koeffizienten fuer in der BRD vermarktete Erdgase // Gas-Erdgas. 1994. V. 35. № 4. S. 212-219.

15. Степанец А.А. Энергосберегающие турбодетандерные установки. М.: Недрабизнесцентр, 1999. 245 с.

16. URL: www.le.by

17. URL: www.alfar.ru

18. URL: esco-ecosys.narod.ru

19. URL: eprussia.ru

Поступила в редакцию 12 марта 2012 г.

Kerimov I.A., Saidov A.-V.A., Batayev D.K.-S., Debiyev M.V. ECONOMICAL ASPECTS OF USE OF DETANDER-GENE-RATING UNITS IN SYSTEM OF GAS NETWORKS OF CHECHEN REPUBLIC

The analysis of functioning of gas networks and calculation of had capacity on gas-distributive networks of Chechen Republic is made. Technical and economic calculation of introduction of detander-generating units on GDN and GDP Chechen Republic is resulted.

Key words: power savings; gas; detander-generating unit; electric power.