CC BY
40
УДК 621.592.3:62-135/-136.001.2
ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ С ДВУМЯ ПРОМПОДОГРЕВАМИ ГАЗА
А.В. КОРЯГИН, Р.В. СОЛОВЬЕВ
Московский энергетический институт (технический университет)
Рассматривается работа детандер-генераторного агрегата с двумя промежуточными подогревами газа, что позволяет снизить температуру подогрева газа. Это создаст возможности использования вторичныгх тепловых энергетических ресурсов. Определены температура подогрева и оптимальные промежуточные давления для каждой ступени, и произведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: детандер-генераторный агрегат, промежуточный подогрев газа, оптимальные давления.
В настоящее время много внимания уделяется такой энергосберегающей технологии, как использование технологического перепада давления транспортируемого природного газа. Установка детандер-генераторного агрегата (ДГА) вместо дросселирующего устройства позволяет вырабатывать дешевую электроэнергию с высокими (по сравнению с выработкой на ТЭС) экологическими показателями. При этом эффективность ДГА во многом определяется принятой схемой подогрева газа перед детандером. Величина подогрева определяется отношением давлений на входе и выходе детандера, и при обычной схеме ДГА может потребоваться подогрев до 150°С. Достичь таких температур подогрева можно только либо сжигая топливо, либо используя высокопотенциальные энергоресурсы. Снизить требуемую температуру газа можно, используя схемы с промежуточным подогревом газа [1]. Наиболее эффективны были бы бестопливные схемы, в которых для подогрева применяются низкопотенциальные вторичные энергетические ресурсы, такие как, например, циркуляционная вода конденсаторов паровых турбин. В данной работе будет проанализирована возможность использования ДГА такого типа на ТЭС предприятий, использующих газ как сырье и топливо.
На ГРС (ГРП) таких предприятий газ поступает с высоким давлением, составляющим 40...55 бар, где его дросселируют до давлений 12-6 бар. Для обеспечения температуры после детандера около 0°С газ необходимо подогревать до 100. 130°С, что требует высокопотенциальной теплоты (например, получаемого от ТЭС пара). Применение одноступенчатого промподогрева позволяет снизить температуру до 50...65°С. В этом случае можно использовать для подогрева газа возвращаемый конденсат, что приведет к увеличению на ТЭС расхода топлива, хотя эффективность работы ТЭС повысится. Расчеты показывают, что применение двухступенчатого подогрева газа позволяет снизить требуемую температуру подогрева до 30...45°С, что делает возможным использование (непосредственное или после небольшого подогрева в теплонасосной установке) теплоты циркуляционной воды.
Для наиболее эффективного использования имеющегося потенциала давления газа необходимо выбирать давления промежуточных подогревов газа так, чтобы получаемая мощность была максимальной. Ранее был рассмотрен одноступенчатый подогрев газа [1], в данной работе определим оптимальные давления для двухступенчатого подогрева.
© А.В. Корягин, Р.В. Соловьев Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
Схема ДГА с двухступенчатым промежуточным подогревом газа показана на рис. 1.
трубопроводы высокого и низкого давления соответственно; 4,6,8 - теплообменники предварительного и промежуточного подогрева газа; 5, 7,9 - части высокого, среднего и низкого
давления детандера; 10 - электрогенератор
Процесс расширения газа в детандере показан на рис. 2.
и
Рпр 1 Рпр2
Твых
Рис. 2. Процесс расширения газа Запишем уравнение мощности турбодетандера с двумя промежуточными
подогревами газа:
N Э =•
к -1
-• Zl • Л • ?!
К-1
1-
р ПР1
Р1
К
П 011 +
+---Z 2 • Л • ?ПР 1
к -1
к
+--z 3 • Л • ТПР 2
к -1
к-1
1-
р ПР 2
с ДР1р ПР 1
П 012 +
к-1
1-
Р 2
с ДР 2 Р ДР 2
п 013
№ Г ,
(1)
к
к
к
к
где N э - мощность турбодетандера; Р1, р 2, р пр 1, р пр 2- давления газа на входе и выходе турбодетандера и перед первым и вторым промежуточными подогревами; с ДР1, с др 2 - коэффициенты дросселирования газа в промежуточных
подогревателях, равные отношению давлений после и до промежуточного подогревателя; п 011, П 012, П 013 - внутренние относительные КПД отсеков детандера; С г - расход газа через турбодетандер; Я, к, г - универсальная газовая постоянная, показатель адиабаты и коэффициент сжимаемости природного газа.
Принимая, что внутренние относительные КПД, показатель адиабаты к и коэффициенты дросселирования газа с др слабо зависят от давления, возьмем
производные уравнения (1) по р пр 1 и р пр 2 и, проведя упрощения, получим:
dN Э
ЯС т
4рпр1 рПР1
к-1
к-1
,р ПР 1. к „ . р ПР 2 . к
- Т-1 г1 • п 011 • (-) к + Тпр 1 • г 2 • П 012 • (-) к
Р1
сДР 1 •р ПР1
dN Э
ЯС
Г
4р ПР 2 рПР 2
к-1
- Т - ПР 1 г 2 - п 012
р ПР 2
с ДР 1 • р ПР 1
+
к-1
+ ТПР2 • г3 • п013 •("
р 2
с ДР 2 • р ПР 2
)
Приравняв производные к нулю, после несложных алгебраических преобразований получим выражения:
к
ор1 _ р ПР 1 _
г 2 • ТПР1 • п 012
г 1 • Т1 • п 011
2(к-1)
ор1
р1 • р ПР 2
'ДР 1
к
ор1 _ р ПР 2 _
г 3 • ТПР 2 • п 013 < г 2 • ТПР1 • п 012
2(к-1)
орЛ
р 2 • Р ПР 1
'ДР 2
Решив систему уравнений, получим оптимальные значения давлений первого и второго промподогревов:
ор1 _ '■ р ПР1 _
г 2 • ТПР1 • п 012
г 1 • Т1 • п 011
2к к-1
г 3 • ТПР 2 • п 013 г 2 • ТПР1 • п 012
к
к-1 2 • р1 • р 2
с Др 1 • с ДР 2
(2)
к
к
ор1 = р ПР 2 =
z3 • ТПР2 • п 013
^ 2 • ТПР1 • Л 012
2 к к-1
z2 • ТПР 1 • Л012 z 1 • Т1 • П 011
к-1 2 • Р1 • р 2
-ДР1 •с др 2
Для одноступенчатого промежуточного подогрева газа оптимальное значение промежуточного давления с учетом сжимаемости равно [1]
к
Р ПР =
z 2 • ТПР • Л 012 z 1 • Т1 • П 011
2(к-1)
Р1 • Р 2
(4)
ДР
Значения коэффициента сжимаемости природного газа приведены в справочнике [2].
Определим требуемую температуру подогрева газа при оптимальных значениях давлений промежуточных подогревов газа для отношений давлений на входе и выходе ГРС 5,5/0,6 МПа при различных способах подогрева газа. Значения промежуточных давлений рассчитаны по формулам (4), (2) и (3). В расчетах примем, что минимальная температура газа на выходе детандера должна составлять 0оС [3]. Расчеты проводились по программе [4]. При расчетах расход газа принимался 1000 м3/ч. Результаты приведены в табл. 1.
Необходимая температура подогрева газа
Таблица 1
к
Схема ДГА Р1, МПа -РпрЬ МПа РПР2, МПа Р2, МПа Т газа после ТО, °С Т2 д, °С
Без промподогрева 5,5 6 131 0
С одноступенчатым промподогревом 5,5 1,922 0,6 66 0
С двухступенчатым промподогревом 5,5 2,811 1,391 0,6 47 0
Из результатов видно, что использование двухступенчатого перегрева позволяет значительно снизить требуемую температуру подогрева газа перед детандером.
Для проверки оптимальности полученных по формулам значений давлений были проведены расчеты мощности ДГА при различных величинах промежуточных давлений. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов мощности ДГА, кВт
"\Рпр1, МПа
2,6 2,7 2,942 3,1 3,2
Рпр2, МПа~-\
1,2 49,16 49,18 49,17 49,12 49,07
1,3 49,31 49,35 49,37 49,34 49,31
1,337 49,21 49,26 49,3 49,27 49,25
1,6 48,99 49,08 49,21 49,24 49,25
Из табл. 2 видно, что давления, определенные по формулам (4) и (5), оптимальны в пределах погрешности вычислений.
Определим требуемые температуры подогрева газа при оптимальных значениях давлений промежуточных подогревов газа для отношений давлений, характерных для ГРС: 5,5/1,2; 7,5/0,6; 7,5/1,2; 4,5/0,6; 4,5/1,2 (МПа/МПа) при различных способах подогрева газа: без промподогрева и с двойным промподогревом. Результаты расчетов приведены в табл. 3 и на рис. 3
Таблица 3
Требуемая температура подогрева газа
Отношение давлений на входе/выходе из детандера, (МПа/МПа) Детандер без промподогрева, °С Детандер с двухступенчатым подогревом, °С
4,5/0,6 119 45
4,5/1,2 79 31
5,5/0,6 131 47
5,5/1,2 91 36
7,5/0,6 151 51
7,5/1,2 111 42
4,5 5,5 7,5
Начальное давление, МПа
—Р2=0,6МПа —■—Р2=1,2 МПа
Рис. 3. Зависимость температуры подогрева газа от его давления на входе в ДГА при двухступенчатом подогреве
Из результатов видно, что использование двойного промподогрева позволяет существенно снизить требуемую температуру подогрева газа: от 50°С, при малом отношении давлений(4,5/1,2), до 100°С - при большом (7,5/0,6).
Выводы
1. Применение двух промподогревов газа в ДГА позволит использовать для подогрева теплоту низкопотенциальных вторичных источников тепла.
2. Полученные формулы позволяют определить оптимальные значения давлений промежуточных подогревов.
Summary
The article deals with the application of two intervening stream overheats in EGS to decrease temperature of gas heating. It allows to use thermal waste energy resources. The temperature of gas heating and optimum pressure of intervening stream overheats have been determined and the analysis of the given results have been made.
Литература
1. Корягин А.В. О разделительном давлении в детандер-генераторных агрегатах // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2004. № 1-2. С.29-34.
2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука ФМЛ, 1972. 720 с.
3. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. М.: Издательство стандартов, 1987. 3с.
4. Программа для ЭВМ «Расчет детандер-генераторных агрегатов и ожижителей природного газа» // А.В. Корягин, Е.В. Джураева. Свидетельство №2001611044, 17.08.
Поступила в редакцию 8 мая 2008 г.
Корягин Анатолий Викторович - канд. техн. наук, старший научный сотрудник научно-технического инновационного центра энергосберегающих технологий и техники Московского энергетического института (ТУ). Тел. 483-99-82. E-mail: korjaginav@yandex.ru.
Соловьев Роман Валерьевич - инженер научно-технического инновационного центра энергосберегающих технологий и техники Московского энергетического института (ТУ). Тел. 8903-137-48-01. E-mail: solovyevrv@ yandex.ru.
