Использование энергии давления транспортируемого природного газа

УДК 620.92

Использование энергии давления

транспортируемого природного газа

для достижения цели экономически эффективного удовлетворения внутреннего и внешнего спроса на природный газ Энергетической стратегией России на период до 2020 г. предусматривается сокращение потерь и снижение затрат на всех стадиях технологического процесса при добыче, подготовке и транспорте газа, а также решение задач ресурсо- и энергосбережения [1].

Газ из магистральных газопроводов поступает в городские и промышленные системы через газораспределительные станции (ГРС), которые сооружаются в конце магистрального газопровода или на отводе от него.

При редуцировании газа на газораспределительных станциях до давлений в распределительных сетях теряется значительное количество потенциальной энергии избыточного давления газового потока, которая была ранее передана ему на компрессорных станциях с затратой энергии, трудовых и материальных ресурсов.

С точки зрения энергосбережения в газотранспортной системе перспективной является утилизация этой потенциальной энергии в турбодетандерах. Известны технологии комплексного использования энергии газа на ГРС для выработки электроэнергии и «холода».

Анализ рынка готового оборудования для утилизации энергии избыточного давления газа — детандер-генераторных агрегатов (ДГА) — показывает, что при подборе ГРС для их оснащения дополнительным оборудованием необходимо особое внимание уделять производительности ГРС и перепаду давления, т.е. сначала нужно определить технический потенциал вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

Самый большой потенциал ВЭР с равномерным выходом наблюдается на ГРС со значительной величиной расхода газа при незначительном его сезонном колебании и с достаточно большим перепадом давления, т.е. когда производительность ГРС определяется не отопительной, а какой-либо технологической нагрузкой, например ТЭЦ — для совместной выработки тепловой и электрической энергии, или завод, потребляющий большое количество газа для непрерывных технологических нужд.

Особое преимущество имеют ГРС, находящиеся в непосредственной близости к компрессорной станции, так как в этом случае имеется другой источник ВЭР — тепловая энергия, получаемая в котлах-утилизаторах газоперекачивающих агрегатов, необходимая для подогрева охлажденного газа.

При использовании электроэнергии, вырабатываемой на автономных источниках, всегда возникают проблемы синхронизации с существующими электросетями. Эти проблемы являются иногда неразрешимыми из-за дорогостоящего оборудования для синхронизации или нежелания поставщиков электроэнергии вмешательства в собственные сети. Поэтому при выработке электроэнергии автономными источниками желательно иметь таких же автономных потребителей. Исходя из этого, двухцелевая установка, производящая электроэнергию и холод, а также потребляющая выработанную электроэнергию при использовании холода, должна быть самой экономичной системой утилизации энергии избыточ-

А.Р. ГАТАУЛЛИНА, аспирант,

И.Р. БАНКОВ, д.т. н., профессор,

Р.А. МОЛЧАНОВА, к.т. н., доцент,

О.В.КУЛАГИНА, аспирант

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика» УГНТУ, г. Уфа

E-mail: alinagataullina@mail.ru

В работе рассмотрена возможность использования потенциала избыточного давления газа в ДГА для производства электроэнергии и холода, для дальнейшего его использования в холодильном комплексе.

Ключевые слова: вторичные энергетические ресурсы, газораспределительная станция, детандер-генераторный агрегат, компрессорная станция, газоперекачивающий агрегат, котел-утилизатор.

The methods of energy utilization of gas gage pressure in the expander-generator units (EGU) with the manufacturing of two energy streams: electricity and freeze has been considered in a work. By the development of the EGU connection diagrams the characteristics of the equipment produced by the domestic industry has been taken into account. In the energy refrigerative complex there is not only the self-contained production of electric energy, but also its stand alone consumption are provided. It release the inevitable problems of self-contained sources of electric energy in the form of synchronization with the centralized network and access to them.

Efficiency of the energy refrigerative complex can be increased by the presence of heat RES compressor stations - cogeneration water from the exhaust-heat boilers of gas-compressor unit or cheap sources of heat energy - cogeneration water of heat-electric generation plant.

Keywords: energy efficiency, secondary energy resources, gas-distribution station, expander-generator unit, compressor station, gas-compressor unit, exhaust-heat boiler.

ного давления природного газа на ГРС.

В работе рассматривается ГРС, находящаяся вблизи газокомпрессорной станции с превалирующей долей технологической нагрузки. Предлагается установка комплекса расширительных турбин, который принимает на себя часть работы по расширению газа и работает параллельно с традиционной газоредуцирующей станцией. В случае остановки комплекса вся нагрузка автоматически переключается на газоредуцирующую линию.

Были разработаны три схемы энергохолодильного комплекса (ЭХК) с учетом того, что потребитель нуждается в «холоде» порядка 130 кВт и электроэнергии круглый год.

Если давление на входе в ГРС превышает давление на выходе более чем в 4,5 раза, то применяют схемы со ступенчатым срабатыванием давления [2]. При одноступенчатом расширении температура газа на выходе из детандера может достигать минус 70°С, что является нежелательным фактором из-за проблем с возможным гидратообразованием в трубках теплообменного аппарата при дальнейшем подогреве и значительных температурных расширений.

На рис. 1 представлена схема установки детандеров с трехступенчатым срабатыванием давления газа и промежуточным подогревом его в теплообменных аппаратах после каждого частичного расширения.

Процессы расширения природного газа в детандере отражены на h-s-диаграмме (рис. 2).

Предварительно подогретый в подогревателе 1 газ из магистрали высокого давления проходит последовательно две ступени детандера 2. За счет расширения газа в ДГА получаем электроэнергию, которая передается в электрическую сеть. Затем газ с давлением 0,5 МПа поступает в агрегат пневмоэ-лектрогенераторный агрегат (ПЭГА) 3 [3], где дополнительно с электроэнергией получаем «холод» в теплообменнике 4. Подогретый в теплообменнике 4 газ с низким давлением поступает потребителю в магистраль низкого давления.

На каждой ступени в этой схеме устанавливаются однотипные детандер-генераторные агрегаты, выпускаемые отечественной промышленностью.

Для подогрева газа при использовании всего имеющегося перепада давления на данной ГРС необходимо значительное количество теплоты, что является нецелесообразным в случае отсутствия вторичных энергетических ресурсов и противоречит идее «бестопливной» выработке электроэнергии.

С учётом этого, была разработана схема № 2 установки детандеров с предварительным дросселированием части избыточного давления газа, представленная на рис. 3. На рис. 4 представлены на h-s-диаграмме соответствующие процессы расширения природного газа в детандере.

Предварительно подогретый в подогревателе 1 газ из магистрали высокого давления проходит через регулятор давления «после себя» 4 для поддержания заданного давления на входе в агрегат ПЭГА.

Газ высокого давления

Газ низкого давления

5

5

5

Рис. 1. Схема № 1 установки ДГА с трехступенчатым расширением газа и промежуточным подогревом в теплообменном аппарате (ТОА):

1 — подогреватель газа; 2 — ДГА; 3 — ПЭГА; 4 — холодильная камера; 5 — генератор

кДжукг 800

8 9 10 11

кДж/

Рис. 2. Процессы расширения природного газа в схеме № 1 установки детандеров:

1-2 — предварительный подогрев газа в теплообменном аппарате, 2-3 — расширение газа в первой ступени ДГА, 3-4 — подогрев газа перед второй ступенью ДГА, 4-5 — расширение газа во второй ступени ДГА, 5-6 — расширение газа в агрегате ПЭГА

Рис. 3. Одноступенчатая схема № 2 установки ДГА с предварительным редуцированием давления газа: 1 — подогреватель газа; 2 — ПЭГА; 3 — холодильная камера; 4 — регулятор давления газа «после себя»; 5 — генератор

Затем газ с давлением 0,5 МПа поступает в агрегат ПЭГА 2, где дополнительно с электроэнергией получаем «холод» в теплообменнике 3. Подогретый в теплообменнике 3 газ с низким давлением поступает потребителю в магистраль низкого давления.

На рис. 5 приведена схема № 3, аналогичная схеме установки детандеров № 2, с предварительным редуцированием части избыточного давления газа, и с дополнительной выработкой электроэнергии в те-

"РС

4

800

700

600

500

400

300

200

10 11

кДж/

Рис. 4. Процессы расширения природного газа в схеме № 2 установки детандеров:

1-2 — предварительный подогрев газа перед редуцированием в теплообменном аппарате, 2-3 — изоэнтальпийное расширение газа в регуляторе давления, 3-4 — расширение газа в агрегате ПЭГА

Рис. 5. Одноступенчатая схема № 3 установки ДГА с предварительным редуцированием давления газа и дополнительной выработкой электроэнергии:

1 — подогреватель газа; 2 — ДГА; 3 — холодильная камера; 4 — регулятор давления газа «после себя»; 5 — генератор

кДж/кг

т 300 "Е 250 200 150 100 50 0

8 9 10 11

кДж/Кг ' К)

Рис. 6. Процессы расширения природного газа в схеме № 3 установки детандеров

1-2 — предварительный подогрев газа в теплообменном аппарате, 2-3 — расширение газа в ДГА, 3-4 — изо-энтальпийное расширение газа в регуляторе давления

| „,,„,уд, 2 у.т./кВт

Рис. 7. Сравнение удельных расходов топлива на выработку электроэнергии по предложенным схемам включения ДГА со средним значением аналогичного показателя на ТЭЦ

чение года во время увеличенного расхода газа через газораспределительную станцию. На h-s-диаграмме представлены соответствующие процессы расширения природного газа в детандере, установленном на ветке дополнительной выработки электроэнергии (рис. 6).

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 ДГА и, как следствие, на себестоимость производимой ДГА электроэнергии. Поэтому выбор и оптимизация схемы подогрева газа в ДГА является одной из приоритетных задач, решаемых при их проектировании [4].

В работе рассмотрено 2 варианта подогрева газа перед ДГА: с использованием автономной котельной и подогрев газа теплофикационной водой от котлов-утилизаторов компрессорных станций.

Нарис. 7 представлены результаты расчета удельного расхода топлива на выработку электроэнергии в ДГА в случае подогрева газа с помощью автономного котла.

Видно, что в схеме № 1 со ступенчатым срабатыванием давления газа и промежуточным подогревом наблюдается наибольший удельный расход топлива. Наименьший удельный расход топлива в схеме № 2 с предварительным редуцированием давления газа. Полученные в расчетах удельные расходы топлива на выработку электроэнергии по всем трём схемам установки ДГА намного меньше, чем на ТЭЦ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Обзор современных конструкций турбодетандер-ных генераторов / Проспект фирмы ООО НТЦ «МТТ».

2. Агабабов В.С., Корягин А.В. Детандер - генераторные агрегаты на тепловых электрических станциях: Учеб пособие. — М.: Изд-во МЭИ, 2005. — 48 с.

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

4. Репин А.Л. Возможности использования энергии давления природного газа на малых газораспределительных станциях // Энергосбережение. — 2004. — № 3.

8

9