Модернизация газораспределительных систем с применением утилизационных турбодетандерных установок

ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

УДК 621.59

Э.А. Микаэлян, к.т.н., доцент, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Модернизация газораспределительных систем с применением утилизационных турбодетандерных установок

Основным оборудованием в системе газоснабжения являются газораспределительные системы (ГРС), разработанные в основном по энергозатратной технологии. Данная статья посвящена разработке энергосберегающей технологии для газораспределительных систем путем замены существующей системы редуцирования газа на установку тур-бодетандерного агрегата на газораспределительной станции.

Рассмотрены технологические процессы, технические характеристики, устройство, особенности конструкции, вопросы контроля режимов работы и эксплуатации ГРС. На основе данных, полученных в результате анализа технологической части проекта, разработана модернизированная система использования энергии редуцирования газа на ГРС с помощью утилизационной турбодетандерной установки.

Результатом конструктивных расчетов являются термогазодинамические и технические характеристики, а также геометрические размеры турбодетандерной установки с противодавлением, устанавливаемой параллельно линии редуцирования газа газораспределительной станции как резервной линии. Такое решение является технически рациональным, что позволит проводить ремонтно-профилактические работы согласно графику для обеспечения нормальной, надежной и безопасной работы турбодетандерной установки.

Исходя из поставленной задачи по разработке турбодетандерного агрегата для внедрения на ГРС «Апрелевка» (Московская обл.) по полученным результатам проведенный экономический расчет показывает, что при выработке электроэнергии с приводом от турбодетандерного агрегата и применением врезки под давлением срок окупаемости составит 6 лет, чистый дисконтированный доход за период эксплуатации (20 лет) составит 174 млн руб. При применении технологии врезки под давлением устраняется выброс природного газа при проведении реконструкционных работ.

Ключевые слова: газораспределительные системы, система газоснабжения, энергосберегающая технология, утилизационная турбодетандерная установка, турбодетандерный агрегат.

E.A. Mikaelyan, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Candidate of Science (Engineering), assistant professor

Modernization of gas distribution systems using disposal turboexpanders

The main equipment in the gas supply system is gas distribution systems (GDS) developed mainly according to the energy-consuming solutions. This article is dedicated to development of the energy saving solutions for the gas distribution systems by means of replacement of the existing gas reduction system by the turbo-expanders at the gas distribution station.

Processes, technical features, arrangement, design peculiarities, GDS operating mode and operation control issues were considered. Based on the data obtained due to the project technological part analysis a modernized reduced gas energy system in GDS using disposal turbo-expander is developed.

The results of the design calculations are thermogasdynamic and technical characteristics and dimensions of the turboexpander with back pressure installed parallel to the reduced gas line of the gas distribution system as a reserve line. Such a solution is technically reasonable and it allows performing maintenance and repair works according to the schedule in order to provide normal, reliable and safe operation of the turbo-expander.

Based on the set task regarding development of the turbo-expander for implementation at Andreevka GDS (Moscow Region) according to the obtained results the performed economic design indicates that the payback period will be 6 years in

36

№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

case of electric generation with a drive from the turbo-expander and using hot tapping and the net present value during the usage period (20 years) will be 174 million roubles. When applying the hot tapping technology natural gas emission during reconstruction works is eliminated.

Keywords: gas distribution systems, gas supply system, energy saving solution, disposal turbo-expander, and turbo-expander.

Основным оборудованием в системе газоснабжения являются газораспределительные системы, разработанные в основном по энергозатратной технологии. ГРС предназначены для подачи газа населенным пунктам, промышленным предприятиям и другим потребителям в заданном количестве с определенным давлением,необходимой степенью очистки, одоризации и учетом расхода газа [1].

На выходе ГРС обеспечивается подача заданного количества газа потребителю в соответствии с договором на поставку [1].

ПАО «Газпром» эксплуатирует 3563 газораспределительные станции (по состоянию на 01.01.1999 г.). Из них порядка 50% составляют станции типа БК ГРС и АГРС, состоящие из блоков и шкафов заводской готовности, остальные ГРС выполнены по индивидуальным проектам. Треть от общего количества ГРС проработала более 25 лет и требует реконструкции, модернизации или замены [1].

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются промышленными предприятиями России газораспределительные станции нового поколения. Классификация по производительности выпускаемых ГРС представлена на рисунке 1. На рисунках 2 и 3 изображены структурные типовые схемы газораспределительных станций [1]. На ГРС здания следует предусматривать с системами отопления, вентиляции, электротехническими устройствами, средствами телефонной и диспетчерской связи, оборудованием канала телемеханики и системой телемеханики. ГРС должна иметь линию электроснабжения, устройства электрохимзащиты,

контроля загазованности и охранной сигнализации от несанкционированного вмешательства посторонних лиц в работу ГРС [2], [3], [9]. Подключение ГРС к газопроводу-отводу высокого давления осуществляется через узел переключения, состоящий из входного и выходного (выходных) газопроводов, обводных (байпасных) линий, соединяющих входные и выходные газопроводы и оснащенных запорной арматурой (кранами, задвижками), предохранительных клапанов с переключающими трехходовыми кранами на каждом выходном газопроводе, изолирующих фланцев, свечей для стравливания газа на газопроводе высокого давления [4], [5].

В настоящее время широкое применение получают автоматизированные газораспределительные станции (АГРС) в комплектно-блочном исполнении [4]. Далее приводятся результаты разработки энергосберегающей технологии для газораспределительных систем путем замены существующей системы редуцирования газа на установку турбодетандерного агрегата на при-

мере газораспределительной станции «Апрелевка» Наро-Фоминской области при участии дипломника В.П. Пивнова. Газораспределительная станция предназначена для снижения высокого давления (55 кгс/см2) природного газа до заданного низкого (3-12 кгс/см2) с точностью +10%, очистки газа от твердых и жидких примесей, приборного учета количества передаваемого потребителю газа.

Техническая характеристика ГРС: максимальная пропускная способность - 225,0 тыс. м3/ч; максимальное давление на входе Рвх - 55,0 кгс/см2; максимальное давление на выходе Р - 6,0 кгс/см2. Узел очистки газа -

вых '

мультициклонный пылеуловитель (2 шт.: Ду = 800; V = 0,92 м3). Подогреватель газа ГРС: ГПМ ПГА-200М

- 2.Количество выходов на потребителя

- 1 (ДУ = 300; Рвых = 6 кгс/см2). Количество линий редуцирования - 3; количество замерных линий - 2 (Ду = 200 мм). Аварийная сигнализация УСГ - 4 М. При модернизации ГРС «Апрелевка» предполагается 2/3 от коммерческого расхода газа пустить через ТДА. При

Рис. 1. Классификация типов ГРС Fig. 1. GDS types classification

Ссылка для цитирования (for references):

Микаэлян Э.А. Модернизация газораспределительных систем с применением утилизационных турбодетандерных установок // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 9. С. 36-39.

Mikaelyan E.A. Modernization of gas distribution systems using disposal turbo-expanders (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 9. P. 36-39.

ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Рис. 2. Структурная схема ГРС с одним потребителем Fig. 2. The structure chart of GDS with one consumer

этом необходимо вычислить мощность, которая будет вырабатываться на ТДА, и количество теплоты для дополнительного подогрева газа перед ТДА; произвести газодинамический расчет и расчет основных геометрических параметров ТДА, а также прочностной расчет трубопроводной обвязки. Для снижения потерь газа и предотвращения отключения потребителя необходимо рассмотреть технологию врезки на газопроводах под давлением с целью применения данной технологии при подключении ТДА к обвязке ГРС. Кроме того, для повышения надежности и безопасности необходимо рассмотреть вопрос, связанный с контролем над режимом работы ТДА, а также экономический эффект от реализации данного проекта и его безопасность и экологичность. Для повышения надежности и ремонтопригодности предполагается подключать ТДА параллельно регуляторам давления.

Контроль режима работы ТДА необходимо выполнить для обеспечения надежности и эксплуатации модернизированной ГРС. Ввиду новизны применения турбодетандерных агрегатов с электрогенератором на ГРС необходимо вести постоянное наблюдение за режимом работы и основными технологическими процессами работы ТДА. Для этого необходимо совершенствовать информационно-измерительную систему управления диагностикой и безопасностью ГРС [9]. Для реализации новой технологии потребуется качественная диагностическая информация, объективно отражающая текущее состояние и безопасность ГРС. Поэтому актуально постоянное развитие и улучшение информационно-измерительной системы управления диагностикой и безопасностью ГРС на системной основе.

ДЛЯ ТАКОГО РАЗВИТИЯ МОЖНО ПРЕДЛОЖИТЬ СЛЕДУЮЩУЮ ЛОГИЧЕСКУЮ СХЕМУ:

• обоснование актуальности каждой выбранной задачи в части улучшения информационного обеспечения процессов управления эффективной и безопасной эксплуатацией ГРС на текущий период;

• определение цели и перечня конкретных задач, в том числе и исследовательских, решение которых позволит на новом качественном уровне выполнять стратегические обязательства ПАО «Газпром» по газификации территорий и надежному снабжению потребителей страны газом;

• выбор методов (методики) проведения исследования и выполнение перечня мероприятий, необходимых для улучшения текущего состояния диагностического и информационного обеспечения руководства и персонала газовых хозяйств в целях повышения надежности, безопасности и эффективности эксплуатации оборудования и инженерных систем ГРС;

• описание процесса достижения поставленной цели и алгоритмов решения задач по системному улучшению информационного обеспечения процессов управления эффективной и безопасной эксплуатацией ГРС на текущий период;

• обсуждение, анализ достигнутых результатов, корректировка цели и постановка новых задач, в том числе и исследовательских, на ближайшую перспективу;

• формулирование выводов и оценка полученных результатов, планирование нового цикла работ по дальнейшему улучшению информационного обеспечения процессов управления эффективной и безопасной эксплуатацией ГРС [6-8].

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧИТ:

• повышение эффективности и снижение рисков эксплуатации ГРС;

• улучшение условий труда для административного персонала и персонала других служб по техническому обслуживанию и эксплуатации ГРС;

Рис. 3. Структурная схема ГРС с двумя потребителями Fig. 3. The structure chart of GDS with two consumers

38

№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

• оптимальную загрузку газопроводов-отводов;

• надежность и безопасность оборудования и трубопроводов технологической обвязки, инженерных систем и арматуры ГРС;

• создание автоматизированных систем управления и повышение доли безлюдных технологий в сфере технического обслуживания и эксплуатации действующих ГРС;

• увеличение масштабов полезного использования запасенной энергии газа при его редуцировании;

• сокращение непроизводительных потерь газа и снижение экологической нагрузки на окружающую среду, персонал и население [6].

Таким образом, представляется, что одним из направлений энергосбере-

жения на ГРС является применение ТДА с электрогенератором.

ИСХОДЯ ИЗ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТДА НА ГРС «АПРЕЛЕВКА» ПОЛУЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

• эффективная мощность ТДА находится на уровне 5,66 МВт. Эту мощность предлагается использовать для выработки электроэнергии;

• количество теплоты для дополнительного подогрева составит порядка 3700 кВт;

• на основании термодинамического, термогазодинамического, механического и прочностного расчетов получены технические, газодинамические и геометрические характеристики ТДА на ГРС;

• механический расчет трубопроводной обвязки ТДА подтвердил проверку прочности трубопровода. Для повышения эффективности работ по модернизации ГРС предлагается при-мененять разработанную технологию врезки под давлением при подключении ТДА к обвязке ГРС. Рассмотрены вопросы повышения надежности и безопасности работы ТДА. Экономический расчет показывает, что при выработке электроэнергии с приводом от ТДА и применением врезки под давлением срок окупаемости составит 6 лет. Чистый дисконтированный доход за период эксплуатации (20 лет) составит 174 млн руб. При применении технологии врезки под давлением значительно снижается выброс природного газа при проведении реконструкционных работ.

References:

1. VRD (internal ruling document) 39-1.8-022-2001 Nomenklaturnyj perechen' gazoraspredelitel'nyh stancij magistral'nyh gazoprovodov [List of gas distribution stations of gas mains].

2. Technological design standards. Normy tehnologicheskogo proektirovanija. Magistral'nye truboprovody. Chast' 1. Gazoprovody. Razdel 5. Gazoraspredelitel'nye igazoizmeritel'nye stancii [Main pipelines. Parti. Gas pipelines. Section 5. Gas distribution and gas measuring stations].

3. Promyshlennaja bezopasnost' kompressornyh stancij s gazoturbinnym privodom [Industrial safety of gas-turbine-driven compressor plants]. Ed. by A.I. Vladimirov, V.Ya. Kershenbaum. Moscow, National Institute of Oil and Gas, Interindustry Fund, 2008. 551 pp.

4. Gazonapolnitel'nye i gazoraspredelitel'nye stancii [Gas-filling and gas distribution stations]. Textbook, ed. by Yu.D. Zemenkov. Moscow, 2001. 335 pp.

5. Mikaelyan E.A. Tehnicheskoe obsluzhivanie jenergotehnologicheskogo oborudovanija, gazoturbinnyh gazoperekachivajushhih agregatovsistemy sbora i transportagaza. Metodologija, issledovanija, analiz ipraktika [Maintenance of the power technology equipment, the gas-turbine gas pumping units of the gas collection and transport system. Methodology, research, analysis and practice]. Moscow, Fuel and power engineering Publ., 2000. 314 pp.

6. Malkhanov V.P. Turbodetandernye agregaty vsistemah podgotovki iraspredelenijagaza [Turbo-expanders in the gas purification and distribution systems]. Moscow, Publishing House «Oil and Gas» FSUE, the Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2004. 228 pp.

7. Mikaelyan E.A. Ot jenergosberegajushhej tehnologii k resursosberegajushhej, ot jenergoaudita k resursoauditu [From the energy saving solutions to the resource-saving technology, from the energy audit to the resources audit]. Gazovaja promyshlennost' = Gas industry, 2014, No. 4. P. 70-73.

8. Mikaelyan E.A. Povyshenie kachestva, obespechenie nadezhnosti i bezopasnosti magistral'nyh gazonefteprovodov dlja sovershenstvovanija jekspluatacionnojprigodnosti [Improvement of quality, provision of reliability and safety of main gas oil pipes in order to improve the operational suitability]. Ed. by Professor G.D. Margulov. Moscow, Fuel and power engineering Publ., 2001. 640 pp. (Sustainable energy and society).

9. STO Gazprom 2-3.6-033-2005 Polozhenie po organizacii iprovedeniju kontrolja za obespecheniem rabotosposobnosti i bezopasnomu funkcionirovaniju gazoraspredelitel'nyh sistem [Provision on the organization and performance of control over provision of operational performance and safe functioning of gas distribution systems].

Литература:

1. ВРД 39-1.8-022-2001 Номенклатурный перечень газораспределительных станций магистральных газопроводов.

2. Нормы технологического проектирования. Магистральные трубопроводы. Часть 1. Газопроводы. Раздел 5. Газораспределительные и газоизмерительные станции.

3. Промышленная безопасность компрессорных станций с газотурбинным приводом / Под ред. А.И. Владимирова, В.Я. Кершенбаума. М.: МФ «Национальный институт нефти и газа», 2008. 551 с.

4. Газонаполнительные и газораспределительные станции: Учебное пособие / Под общ. Ред. Ю.Д. Земенкова. М., 2001. 335 с.

5. Микаэлян Э.А. Техническое обслуживание энерготехнологического оборудования, газотурбинных газоперекачивающих агрегатов системы сбора и транспорта газа. Методология, исследования, анализ и практика. М.: Топливо и энергетика, 2000. 314 с.

6. Мальханов В.П. Турбодетандерные агрегаты в системах подготовки и распределения газа. М.: ФГПУ Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2004. 228 с.

7. Микаэлян Э.А. От энергосберегающей технологии к ресурсосберегающей, от энергоаудита к ресурсоаудиту // Газовая промышленность. 2014. № 4. С. 70-73.

8. Микаэлян Э.А. Повышение качества, обеспечение надежности и безопасности магистральных газонефтепроводов для совершенствования эксплуатационной пригодности. Под ред. проф. Г.Д. Маргулова. М.: Топливо и энергетика, 2001. 640 с.

9. СТО Газпром 2-3.6-033-2005 Положение по организации и проведению контроля за обеспечением работоспособности и безопасному функционированию газораспределительных систем.