СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА С ОДНОВРЕМЕННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ВОДОРОДА И ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПОДМЕШИВАНИЯ ЕГО В ПЕРЕКАЧИВАЕМЫЙ ГАЗ
SYSTEM FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF THE COMPRESSOR STATION OF THE MAIN GAS PIPELINE WITH SIMULTANEOUS HYDROGEN PRODUCTION AND THE POSSIBILITY OF MIXING IT INTO THE PUMPED GAS

Область техники
Настоящее изобретение относится к энергетическим системам и комплексам и представляет собой комплекс-систему автономного электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода, например, расположенной в регионе, где отсутствуют электросети необходимой мощности, с одновременным производством водорода в периоды провала нагрузки электроприводных газоперекачивающих агрегатов и подмешиванием наработанного водорода в газ, перекачиваемый по магистральному газопроводу, а также возможностью использования накопленного водорода в качестве топлива для временного резервного электроснабжения самой компрессорной станции.
Уровень техники
Задача повышения эффективности использования энергетических ресурсов актуальна в связи с ограниченностью их запасов, глобальным ростом энергопотребления и экологическими аспектами производства энергии. Так для транспортировки природного газа, одного из самых востребованных энергоносителей, по магистральным газопроводам используются компрессорные станции, повышающие давление в газопроводе. В качестве приводов компрессоров используются в основном два типа агрегатов: потребляющие природный газ - ГГПА (газотурбинные газоперекачивающие агрегаты) и потреблющие электроэнергию - ЭГПА (электроприводные газоперекачивающие агрегаты).
2
x
Недостатками применения ГГПА являются производство выбросов парниковых газов (СО, NO и метана) при сжигании природного газа в ГГПА, а также то, что для их работы расходуется перекачиваемый газ, при этом КПД ГГПА сильно зависит от колебаний нагрузки газопровода, что снижает эффективность использования природного газа. Кроме того, сжигаемый на компрессорной станции природный газ учитывается по цене существенно более низкой, чем его цена на международном рынке. Современные ЭГПА лишены этих недостатков, т.к. потребляют электроэнергию и имеют более высокий КПД даже при колебаниях нагрузки. Сложность повсеместного применения ЭГПА заключается в невозможности обеспечения надежного электроснабжения компрессорной станции в районах пролегания магистральных газопроводов, где отсутствуют линии электропередач, способные обеспечить необходимую мощность.
Для обеспечения автономного электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода с электроприводными газоперекачивающими агрегатами, расположенной в регионе, где отсутствуют электросети необходимой мощности, предлагается использовать АЭС (атомную электростанцию) малой мощности в качестве энергоисточника, т.к. мощность, требуемая для компрессорной станции с ЭГПА, обычно составляет от нескольких десятков до сотен МВт. Для повышения стабильности, надежности и технико-экономической эффективности работы АЭС и, как следствие, снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии предлагается в периоды снижения нагрузки ЭГПА перенаправлять избыточную мощность, вырабатываемую АЭС, на производство водорода и кислорода в электролизных установках. При этом АЭС мощность не снижает. Произведенные водород и кислород предлагается компримировать и накапливать в соответствующих хранилищах. Накопленный водород можно постепенно подмешивать в магистральный природный газ, в рамках допустимой регламентируемой доли. Таким образом, далее по газопроводу перекачивается смесь природного газа и водорода. Это позволит снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, как в газотранспортной системе, так и у конечного потребителя, а также может повысить привлекательность поставляемого на внешний рынок газа в связи с ужесточением экологических норм и развитием водородной энергетики. Кроме того, такой подход является одним из потенциально возможных вариантов транспортировки водорода, произведенного с помощью атомной энергии.
Помимо этого, с помощью отдельной энергетической установки (электрохимический генератор или турбогенератор) накопленные водород и кислород можно использовать для производства электроэнергии, которая может быть использована для резервного энергоснабжения компрессорной станции.
Известно, что техническое решение по наработке водорода в электролизерах от энергии ветряной электростанции и подмешивании наработанного водорода в газопровод реализовано, например, в Falkenhagen (Германия) [3]. Для производства водорода использованы произведенные фирмой Hydrogenics электролизеры с протон-обменной мембраной (РЕМ), которые обладают достаточной маневренностью, чтобы работать в системе с таким непостоянным источником электроэнергии как ветряные генераторы. Неравномерность нагрузки компрессорных станций, а следовательно и неравномерность подачи энергии на электролизные установки в предлагаемой схеме, согласно данным приведенным в [1] не должна превышать неравномерность работы ветряной электростанции.
Также известна публикация [4] о транспортировке водорода по газопроводам в виде метановодородной смеси, которая может быть получена путем инжекции в природный газ чистого водорода.
Также известны разработки энергетических установок, работающих на водороде и кислороде, например, электрохимический генератор [5], а также другие энергоустановки на водородных топливных элементах или газотурбинные установки.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение надежного автономного электроснабжения электроприводных газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции магистрального газопровода, расположенной в регионе, где отсутствуют электросети необходимой мощности, с одновременным производством и подмешиванием водорода в газ, перекачиваемый по магистральному газопроводу, и возможностью использования накопленного водорода в качестве топлива для временного резервного электроснабжения.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании комплекса - системы энергообеспечения компрессорной станции, расположенного без возможности подключения к электросетям необходимой мощности, включающего: систему производства и распределения электроэнергии, систему производства и хранения водорода и кислорода, инжектор для подмешивания водорода в магистральный газ и, фактически, получения на выходе компрессорной станции смеси природного газа и водорода, энергоустановку для резервного питания компрессорной станции, вырабатывающую электроэнергию из накопленных водорода и кислорода.
Для достижения указанного технического результата предлагается система автономного электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода, характеризующаяся тем, что содержит энергоисточник, соединенный токопроводящей линией с распределительным устройством, которое параллельно соединено токопроводящими линиями с двумя электротрансформаторами, один из которых последовательно соединен с переключателем электропитания, электроприводным газоперекачивающим агрегатом, установленным на магистральном трубопроводе газа, другой с электролизной установкой производства водорода, соединенной трубопроводами через систему водоподготовки с источником воды, отдельными газопроводами с компрессором водорода и компрессором кислорода, которые соединены с емкостями хранения водорода и кислорода соответственно, при этом электролизная установка содержит отдельный трубопровод сброса кислорода, емкости хранения водорода и кислорода соединены с электрохимическим генератором или газотурбинной установкой производства электроэнергии, соединенным трубопроводом с системой водоподготовки, а токопроводящей линией через трансформатор с переключателем электропитания, емкость хранения водорода соединена газопроводом с инжектором водорода, расположенным на магистральном газопроводе.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
работа компрессорной станции с электпроприводными газоперекачивающими агрегатами стабильно обеспечивается электроэнергией, вырабатываемой энергоисточником, стабилизация неравномерности нагрузки электроприводных газоперекачивающих агрегатов, вызванная колебаниями давления в магистральном газопроводе, обеспечивается за счёт перенаправления энергии, вырабатываемой энергоисточником, на производство водорода, который подмешивается в перекачиваемый природный газ, в результате чего далее по магистральному газопроводу перекачивается уже смесь природного газа и водорода.
Преимущества по сравнению с аналогичными решениями и известными подходами:
- повышение энергоэффективности за счет использования более эффективных ЭГПА (по сравнению с ГГПА) в регионах, где отсутствуют электросети (т.к. для работы ЭГПА необходима электроэнергия, в рассмотренном случае ее производит АСММ);
- экономия ПГ (по сравнению с использованием ГГПА, которые потребляют ПГ как топливо и расходуют на транспорт ПГ на каждой КС около 0,4% топливного газа от объема прокачиваемого по МГ [2], что в масштабе всей ГТС РФ составляет порядка 10% от общего объема годовой добычи ПГ);
- повышение экономической эффективности использования ПГ (не сжигать ПГ на КС, а продавать его за рубеж по рыночной цене - более высокой, чем та, по которой ПГ учитывается при сжигании на КС);
2
- снижение выбросов CO, СО, NOx и метана в атмосферу как в газотранспортной системе, так и у конечного потребителя ПГ, за счет применения ЭГПА вместо ГГПА (уход от сжигания ПГ в ГГПА), а также за счет повышения доли водорода в магистральном газе;
- повышение экологической и, как следствие, рыночной привлекательности российского ПГ на зарубежных рынках за счет подмешивания водорода в МГ;
- повышение экономической эффективности работы АСММ в изолированной энергосистеме за счет выравнивания нагрузки во времени (повышение КИУМ) посредством перенаправления производимой энергии на электролиз, т.е. снижение себестоимости производимой электроэнергии при одновременном повышении эксплуатационной надежности АСММ за счет работы в стационарном режиме и, как следствие, повышение привлекательности применения АСММ.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется принципиальной схемой системы автономного энергоснабжения с возможностью одновременного производства водорода, на которой позициями обозначены:
1 - энергоисточник (например, атомная электростанция малой мощности (АЭС));
2 - распределительное устройство (электроустановка, служащая для приема и распределения электрической энергии);
3, 7, 17 - электротрансформатор;
4 - переключатель электропитания (автомат включения резерва);
5 - электроприводный газоперекачивающий агрегат (ЭГПА);
6,29,30 - магистральный трубопровод газа;
8 - электролизная установка производства водорода;
10 - система водоподготовки;
9 - источник воды;
11 - компрессор водорода;
12 - хранилище водорода;
13 - устройство подмешивания водорода в магистральный трубопровод газа (инжектор водорода);
14 - компрессор кислорода;
15 - емкость для хранения кислорода;
16 - энергоустановка, производящая электроэнергию из водорода и кислорода (электрохимический генератор (ЭХГ) или газотурбинная установка);
18-23, 35, 36 - токопроводящие линии;
24, 25, 38 - трубопроводы водоснабжения;
26-28, 31 - газопроводы водорода;
32-34, 37 - газопроводы кислорода.
Осуществление и примеры реализации изобретения
Заявляемая система производства, распределения и преобразования электроэнергии для автономного энергоснабжения и инжектирования водорода, включает:
1) систему производства электрической энергии, которая может быть представлена атомной станцией малой мощности, в т.ч. состоящей из нескольких энергоблоков;
2) систему распределения электроэнергии, в состав которой входят:
- распределительное устройство, которое представляет собой электроустановку, служащую для приема от атомной станции электрической энергии и распределения ее на электроприводные газоперекачивающие агрегаты и электролизную установку;
- электротрансформаторы, предназначенные для преобразования параметров электрического тока;
- переключатель электропитания (автомат включения резерва) -автоматическое устройство, осуществляющее автоматический ввод резервных источников питания (служит для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей);
- токопроводящие линии;
3) систему производства, хранения и распределения водорода и кислорода, в состав которой входят:
- система водоподготовки, обеспечивающая очистку сырьевой воды в соответствии с требованиями электролизной установки;
- по меньшей мере одна электролизная установка с щелочным или полимерным электролитом (коммерческие образцы доступны на рынке);
- компрессор водорода;
- компрессор кислорода;
- емкость для хранения водорода под давлением;
- емкость для хранения кислорода под давлением;
- инжектор водорода;
- трубопроводы;
4) водородно-кислородную энергоустановку, предназначенную для резервного электропитания, потребляющую наработанные водород и кислород в качестве топлива и окислителя, которая может быть представлена электрохимическим генератором.
Заявляемая система выполнена с возможностью подмешивания водорода в магистральный газ и возможностью использовать наработанные водород и кислород для резервного энергоснабжения. При работе системы электроэнергия, вырабатываемая АЭС 1, с помощью распределительного устройства 2 распределяется на питание электроприводного газоперекачивающего агрегата 5, а также в случае снижения нагрузки электроприводного газоперекачивающего агрегата 5, на питание электролизной установки 8, которая производит водород и кислород, аккумулируемые в хранилищах 12 и 15, при этом водород посредством инжектора 13 может подмешиваться в магистральный природный газ, а в случае необходимости расходоваться в качестве топлива вместе с кислородом для производства электроэнергии установкой 16.
Заявляемое техническое решение по чертежу включает энергоисточник (в качестве которого может использоваться, например, АЭС) 1, распределительное устройство 2, переключатель электропитания (автомат включения резерва) 4, электролизную установку 8, которые соединены токопроводящими линиями 18, 19, 20, 22, 23 через электротрансформаторы 3, 7. Сырьем для электролиза служит вода, которая из природного или иного источника воды 9 по трубопроводу 24 поступает в систему водоподготовки 10, которая трубопроводом 25 соединена с электролизной установкой 8. Состав системы водоподготовки 10, определяется требованиями к качеству воды, используемой для электролиза, которые зависят от состава и напора воды, поступающей из источника 9, и от выбранного типа электролизной установки 8. В состав электролизной установки 8 также может входить собственная система очистки воды. В зависимости от комбинации вышеуказанных параметров состав системы водоподготовки может включать: трубопроводы, насосы, фильтры очистки, дистилляторы, накопительные емкости, запорно-регулирующую арматуру и пр. На выход из электролизной установки 8 поступают водород и кислород. Электролизная установка 8 соединена газопроводом 26, по которому поступает водород, с компрессором водорода 11, который соединен газопроводом 27 с хранилищем водорода 12. Электролизная установка 8 соединена газопроводом 32, по которому поступает кислород, с компрессором кислорода 14, который соединен газопроводом 33 с хранилищем кислорода 15. Отдельный газопровод 37 подсоединен к электролизной установке для сброса лишнего кислорода в атмосферу. Лишний кислород может не выбрасываться, а заправляться в соответствующие емкости и транспортироваться в другое место, например, для использования в медицинских целях. Хранилище водорода 12 соединено газопроводом 28 с инжектором водорода 13, который подсоединен к магистральному газопроводу природного газа 29,30. Кроме этого хранилище водорода соединено газопроводом 31 с энергоустановкой 16, которая может производить электроэнергию с использованием водорода и кислорода, для чего газопровод 34 также соединяет энергоустановку 16 с хранилищем кислорода 15. Энергоустановка 16 трубопроводом 38 соединена с системой водоподготовки 10 для отвода и повторного использования воды, образующейся в результате соединения водорода и кислорода при работе энергоустановки 16. Также энергоустановка 16 через трансформатор 17 соединена токопроводящими линиями 35, 36 с переключателем электропитания 4, который соединен токопроводящей линией 21 с электроприводом газоперекачивающего агрегата 5. К электроприводному газоперекачивающему агрегату 5 подсоединены подводящий газопровод 6, по которому поступает природный газ из магистрального газопровода, и отводящий газопровод 29, соединенный с инжектором водорода 13. Природный газ по газопроводу 6 поступает сначала в электроприводной газоперекачивающий агрегат 5, потом по газопроводу 29 проходит инжектор водорода 13, где в него подмешивается наработанный водород, и далее перекачивается по магистральному газопроводу 30 до следующей компрессорной станции или потребителя, фактически, уже в виде смеси природного газа и водорода.
Для электроснабжения компрессорной станции с электропроводным газоперекачивающим агрегатом, расположенной в регионе, где отсутствуют электросети необходимой для питания компрессорной станции мощности, используется электроэнергия, производимая атомной станцией малой мощности, расположенной недалеко от компрессорной станции. Атомная станция производит электроэнергию только для данной компрессорной станции, т.е. установленные мощности атомной станции и компрессорной станции сопоставимы.
В виду того, что режим работы современного магистрального газопровода характеризуется неравномерностью подачи газа в течение года, месяца и даже суток [1], мощность, потребляемая компрессорной станцией, также непостоянна. В периоды провалов графика электрической нагрузки на компрессорной станции для сохранения уровня мощности атомной станции (повышения коэффициента использования установленной мощности) электроэнергия, производимая атомной станцией (избыточная по отношению к текущей мощности компрессорной станции) с помощью распределительного устройства частично направляется на электролизную установку, которая производит водород и кислород, потребляя при этом воду в качестве сырья. Произведенный водород компримируется с помощью компрессора водорода до необходимого давления и аккумулируется в хранилище водорода (например, емкости под давлением). Из хранилища водород постепенно, в рамках допустимой регламентируемой доли, инжектируется в магистральный газопровод с помощью инжектора. Таким образом, далее по магистральному газопроводу перекачивается смесь природного газа и водорода.
В схему также включен электрохимический генератор, потребляющий водород и кислород в качестве топлива и окислителя и производящий электроэнергию, которая может быть использована для резервного электроснабжения компрессорной станции. Поэтому произведенный в электролизной установке кислород компримируется с помощью компрессора кислорода до необходимого давления и аккумулируется в хранилище кислорода (например, емкости под давлением) для дальнейшего использования в электрохимическом генераторе. Лишний кислород выбрасывается в атмосферу, но может заправляться в баллоны и транспортироваться в другое место для использования, например, в медицинских целях. Возможность использования электрохимического генератора позволяет выполнить требование электроснабжения компрессорной станции по 1-ой категории (необходимость наличия 2-х независимых источников электроснабжения). Резервирование источников электроснабжения также может быть осуществлено установкой нескольких энергоблоков в составе атомной станции.
Реализация
Как минимум одна система производства электроэнергии 1 вырабатывает электрическую энергию, которая по токопроводящей линии 18 попадает на как минимум одно распределительное устройство 2, которое направляет по токопроводящим линиям 19, 20, 21 часть электроэнергии, соответствующую текущей нагрузке, на электроприводной газоперекачивающий агрегат 5. При этом электрический ток преобразовывается, как минимум в одном трансформаторе 3 под параметры необходимые для электроприводного газоперекачивающего агрегата 5, и далее поступает по токопроводящей линии 20 как минимум в один автомат включения резерва 4, который находится в режиме приема электроэнергии от линии 20, далее по токопроводящей линии 21 электроэнергия поступает на питание как минимум одного электроприводного газоперекачивающего агрегата 5, который перекачивает природный газ, поступающий в него по магистральному газопроводу 6. После электроприводного газоперекачивающего агрегата 5 газ с повышенным давлением направляется далее по газопроводу 29. В стационарном режиме мощность системы выработки электроэнергии 1 остаётся постоянной. Для обеспечения балансировки мощности системы выработки электроэнергии 1 оставшаяся часть электроэнергии, принятой распределительным устройством 2 направляется по токопроводящей линии 22 как минимум на один трансформатор 7, где электрический ток преобразовывается под параметры необходимые для электролизной установки и по токопроводящей линии 23 направляется на питание как минимум одной электролизной установки 8. Вода из источника 9 по трубопроводу 24 поступает в систему водоподготовки 10, где подготавливается в соответствии с требованиями электролизной установки и по трубопроводу 25 поступает в электролизную установку 8 в качестве сырья для производства водорода. Электролизная установка 8, работая в режиме переменной нагрузки, т.к. мощность электропитания, поступающего по линии 22 непостоянна во времени, вырабатывает водород и кислород. Водород направляется по газопроводу 26 как минимум на один водородный компрессор 11, где компримируется до необходимого повышенного давления и далее по газопроводу 27 поступает как минимум в одну ёмкость для хранения водорода, откуда по газопроводу 28 поступает как минимум в один инжектор водорода 13, который осуществляет подмешивание водорода в магистральный природный газ, который поступает после электроприводного газоперекачивающего агрегата 5 по газопроводу 29. Далее по газопроводу 30 (на следующую компрессорную станцию или к потребителю) поступает уже смесь природного газа и водорода. Кислород после электролизной установки 8 направляется по газопроводу 32 как минимум на один кислородный компрессор, где компримируется до необходимого повышенного давления и далее по газопроводу 33 поступает как минимум в одну ёмкость для хранения кислорода. В случае заполнения ёмкости 15 лишний кислород, вырабатываемый в процессе электролиза, сбрасывается в окружающую среду по трубопроводу 37. В случае прекращения поступления электроэнергии от источника 1 и необходимости резервного электропитания включается как минимум одна энергоустановка 16, при этом автомат 4 переключается на питание от токопроводящей линии 36. Электроэнергия вырабатывается энергоустановкой 16 в результате электрохимических процессов из поступающих по газопроводам 31 и 34 водорода из ёмкости 12 и кислорода из ёмкости 15, соответственно. От энергоустановки 16 электроэнергия по токопроводящей линии 35 поступает как минимум в один трансформатор 17, в котором электрический ток преобразовывается под параметры необходимые для электроприводного газоперекачивающего агрегата 5, и далее по линии 36 направляется через автомат 4 и далее по линии 21 на питание электроприводного газоперекачивающего агрегата 5. Также в результате работы энергоустановки 16 образуется вода (за счёт соединения водорода и кислорода), которая по трубопроводу 38 направляется в систему водоподготовки 10 для повторного использования в качестве сырья для электролиза.
Максимальная энерговыработка энергоустановки 16 обусловлена количеством запасённых в емкостях 12 и 15 водорода и кислорода, соответственно.
Вариант реализации (осуществления)
Рассмотрим компрессорную станцию, оснащённую 10 (десятью) электроприводными газоперекачивающими агрегатами 5 мощностью 4 МВт(э) каждый, т.е. общая мощность составит 40 МВт. Для обеспечения электропитания данной компрессорной станции с учётом запаса и дополнительных потребителей потребуется АЭС 1 мощностью около 50 МВт, из которых 40 МВт направляются на электроснабжение электроприводных газоперекачивающих агрегатов 5, в случае если они работают на полной мощности. В случае снижения нагрузки часть мощности распределительным устройством 2 по токопроводящей линии 22 через трансформатор 7 направляется на электролизную установку (8). Количество и параметры трансформаторов 7 и 8, а также пераметры распределительного устройства 2 подбираются в соответствии с параметрами передаваемой электрической энергии и не являются принципиальными для настоящего изобретения. Предположим, что максимальное снижение нагрузки электроприводных газоперекачивающих агрегатов 5 составляет 50% или 20 МВт, тогда максимальная мощность, направляемая на электролиз составит 20 МВт. В этом случае можно установить 2 (две) электролизные установки 8 мощностью по 10 МВт каждая, соединённых с трансформатором 7 отдельной токопроводящей линией 23 каждая. Для каждой электролизной установки потребуются отдельный трубопровод 25, соединяющий её с общей системой водоподготовки 10. Каждая электролизная установка 8 соединяется с общим хранилищем водорода 12 отдельной линией, включающей газопроводы 26, 27 и компрессор 11, а также с общим хранилищем кислорода 15 отдельной линией, включающей газопроводы 33, 34 и компрессор 15. Электропитание десяти электроприводных газоперекачивающих агрегатов обеспечивается от токопроводящей линии 21 с помощью дополнительного распределительного устройства и десяти токопроводящих линий, которые на схеме не показаны, и условно входят в состав элемента 5, что не является принципиальным для настоящего изобретения.
Использованные источники
1. Крюков О.В. Энергоэффективные электроприводы газоперекачивающих агрегатов газопроводов на базе интеллектуальных систем управления и мониторинга. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Нижний Новгород, 2015 г.
2. Крылов Д.А. Аргументы в пользу использования электроэнергии Кольской АЭС для завода СПГ и ГПА на магистральном газопроводе «Видяево - Волхов».Бюллетень по атомной энергии, 1/2008.
3. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1464285913703250 [Электронный_ресурс] (дата обращения: 28.10.2021).
4. Голунов Н.Н., Лурье М.В., Мусаилов И.Т. Транспортировка водорода по газопроводам в виде метановодородной смеси. Территория «НЕФТЕГАЗ». 2021; (1-2):74-82.
5. https://centrotech.ru/vodorodnaya-energetika/elektrohimicheskie-generatory/[Электронный_ресурс] (дата обращения: 28.10.2021).