CC BY
132
УДК 622.691
Альтернативные источники энергии как основа
внедрения безлюдной технологии эксплуатации компрессорных станций
Б.Н. АНТИПОВ, д.т.н., проф. кафедры термодинамики и тепловых двигателей АА МИЛЛЕР, студент
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина (Россия,119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 65). E-mail: com@gubkin.ru
Рассмотрены преимущества применения электроприводных газоперекачивающих агрегатов для внедрения безлюдной технологии эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов. В качестве источника обеспечения агрегатов электроэнергией предлагаются списанные ядерные энергетические установки подводных лодок и атомных ледоколов.
Ключевые слова: безлюдная технология, эксплуатация компрессорных станций, ядерные энергетические установки.
Реализуя задачи по поставке газа потребителям, ОАО «Газпром» особое внимание уделяет вопросам энергоэффективности. Вопросы экономии энергетических ресурсов, в том числе решение задач по снижению потребления газа на собственные нужды, нашли свое отражение в Программе инновационного развития ОАО «Газпром» до 2020 г. и Концепции энергосбережения ОАО «Газпром» на период 2011-2020 гг. В соответствии с Концепцией основной задачей является максимальная реализация потенциала энергосбережения во всех видах деятельности и, как следствие, снижение техногенной нагрузки на окружающую среду. Эта задача будет решена путем применения инновационных технологий и оборудования, а также совершенствования управления энергосбережением.
Исторически сложилось так, что основной парк газоперекачивающих агрегатов (ГПА) составляют ГПА с газотурбинным приводом (установкой - ГТУ) (рис. 1) [1]. Главными преимуществами данного типа привода являются большая единичная мощность и использование природного газа в качестве топлива. Именно это и приводит к
тому, что газотурбинные двигатели, используемые в качестве привода нагнетателей газа в ГПА, являются основными потребителями газа на собственные нужды компрессорных станций (КС).
Современные электроприводные ГПА (ЭГПА) компонуются в едином взрывобезопасном корпусе с использованием магнитного подвеса роторов электродвигателя и нагнетателя и сухих газодинамических уплотнений. Данное техническое решение позволяет не только повысить эффективность работы ГПА, но и эксплуатировать ЭГПА без маслосистемы, что, в свою очередь, снижает эксплуатационные затраты и трудоемкость изготовления. Стали более надежными системы автоматического управления, позволяющие увеличить энергоэффективность ЭГПА на переменных режимах [2].
Сравним энергетическую эффективность современных ГПА примерно равной единичной мощности, оснащенных электроприводом и газотурбинным приводом (табл. 1, 2) [3].
Из представленного материала можно сделать вывод, что электроприводные ГПА обладают более высоким КПД и более широким диапазоном регулирования режимов работы по сравнению с газотурбинным двигателем. Кроме того, при использовании ЭГПА в атмосферу не попадают продукты сгорания, как в ГТУ, а тепловые выбросы намного меньше. ЭГПА требуют меньшего объема технического обслуживания при эксплуатации, значительно меньшего количества регистрируемых и контролируемых параметров для
Рис. 1. Распределение парка ГПА по мощности энергопривода, %
обеспечения эксплуатации по техническому состоянию, обладают большим назначенным ресурсом и более высокой ремонтопригодностью при более низкой стоимости изготовления.
Следует отметить, что с увеличением единичной мощности газотурбинных двигателей увеличивается их термодинамическое совершенство, в то время как КПД электродвигателей находится на одном уровне во всем диапазоне мощностей. То есть при уменьшении единичной мощности сравниваемых агрегатов превосходство электродвигателей будет расти.
Опыт эксплуатации говорит о том, что ЭГПА являются более надежными, они имеют большую наработку на отказ, что позволяет уменьшить количество резервных агрегатов по сравнению с ГПА, оснащенными газотурбинным приводом.
Справедливости ради следует отметить, что вывод о целесообразности применения того или иного типа энергопривода может быть сделан только на основе технико-экономических расчетов, например по методике, предложенной в работах кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, когда сравниваются затраты на выработку энергии на валу нагнетателя [1, 4].
Главными сдерживающими факторами отсутствия широкого применения ЭГПА являются относительно высокие цены на электроэнергию и показатели надежности и бесперебойности энергоснабжения, что приводит к необходимости наличия на компрессорных станциях собственной резервной системы энергоснабжения. Данное обстоятельство позволяет рассматривать возможность создания собственной энергосистемы в рамках Единой системы газоснабжения.
Наименьшей себестоимостью при производстве 1 кВтч электроэнергии обладают атомные электростанции (АЭС). Последние достижения в области создания ядерных реакторов позволяют сегодня производить различные типы реакторов с широким спектром мощностей и габаритов в интересах промышленности, надводного и подводного флотов. Существует большое количество технологий сооружения АЭС, которые базируются на различных принципах получения электроэнергии и управления технологическими процессами. Помимо существующих отработанных технологий разрабатываются перспективные направления развития ядерной энергетики, такие как ториевые ядерные реакторы, и рассматривается возможность вторичного использования
Таблица 1
Сравнение технических характеристик ГПА
Наименование параметра г. Берген, Норвегия г. Выборг, Россия
Тип провода Электрический Газотурбинный
Количество/единичная 6/60 6/56 (2/26)
мощность, шт./МВт
Суммарная установленная 360 388
мощность, МВт
КПД привода ГПА, % 97 42
Диапазон регулирования^ 50-105 65-100
Расход энергоносителей:
электроэнергии, кВтч 45 000 -
топливный газ, кг/ч - «10 000
Наличие маслохозяйства - Есть
для ГПА
Выбросы вредных веществ, кг/ч - «22
Таблица 2
Сравнение показателей эффективности ГПА и ЭГПА
Показатель эффективности г. Берген, Норвегия г. Выборг, Россия
Газоперекачивающие агрегаты
КПД ГПА, % 83 35
Удельный расход ТЭР ГПА 1,2 кВт-ч/ кВтч 0,3 м3/кВт-ч
Показатель локальной энергоэффективности КС
Удельный расход ТЭР КС, кг у.т./кВтч 2,56 4,39
Показатель системной энергоэффективности КС
Удельный показатель расхода ТЭР КС, кг-у.т./млн м3-км 43,8 57,9
ядерных энергетических установок подводных лодок и атомных ледоколов.
Ториевые реакторы являются весьма перспективными, экологически безопасными в случае аварий, обладают большим ресурсом (реактор может работать до 20 лет между сменами топлива), себестоимость электроэнергии составляет около 1 цента за кВтч [5].
Использование списанных ядерных энергетических установок подводных лодок и атомных ледоколов позволит решить сразу несколько проблем. Во-первых, это упростит утилизацию данных энергетических установок, во-вторых, позволит получать достаточно дешевую электроэнергию. Предпосылкой к вторичному использованию является большой остаточный ресурс после списания при высокой надежности и безопасности их дальнейшей эксплуатации. Наиболее рациональным представляется создание на их базе плавучих или подземных АЭС, которые
будут обладать мощностью до 190 МВт и остаточным ресурсом около 20 лет. Утилизируемые атомные подводные лодки 2-го и 3-го поколений имеют широкий диапазон мощностей реакторов от 70 до 190 МВт и главных турбин от 15 до 37 МВт. [6]. При использовании данной технологии можно ожидать повышения эффективности и конкурентоспособности атомной энергетики в целом, снижения уровня удельных капитальных вложений при обеспечении соответствия уровня безопасности современным нормам, что соответствует Энергетической стратегии России на период до 2030 г.
Кроме того, возможно применение специально спроектированных плавучих АЭС отечественного производства (табл. 3).
Атомные электростанции, которые могут служить основными источниками энергии для ЭГПА, сами по себе являются инерционными объектами, хотя диапазон регулирования достаточно широк. Кроме того, большинство видов ядерных реакторов, рассмотренных ранее, предполагают их безлюдную эксплуатацию. Поэтому для упрощения процесса эксплуатации АЭС необходимо задаться режимом, на котором станция будет работать. Предполагается, что мощности источника энергии должны в полной мере покрывать потребности потребителей. Основными потребителями на КС являются ГПА, необходимо обеспечить все ГПА с учетом не только работающих, но и резервных агрегатов. Кроме того, на станции достаточно большое количество потребителей, таких как АВО газа, системы автоматики, приводы кранов и задвижек и т.д. Потребители электроэнергии есть и на линейной части (системы автоматики и телемеханики, станции ЭХЗ). При этом необходимо учитывать необратимые потери, которые будут возникать в трансформаторах, высоковольтных и распределительных сетях. Иными словами, режим работы АЭС должен обеспечивать подачу электроэнергии на КС для надежного и безотказного функционирования всех систем с учетом потерь и, кроме этого, обладать запасом по мощности.
С целью повышения эффективности использования возможно собирать излишки энергии в единую сеть - коллектор (рис. 2).
Электроэнергия может послужить резервным источником электроснабжения для следующих по трассе КС. Кроме того, она может реализовы-ваться для нужд других объектов газотранспортной системы (ГТС), нужд местного населения,
Таблица 3
Ряд мощностей существующих ядерных реакторов малой и средней мощности [7]
Тип компоновки/ циркуляции Мощность (эл.), МВт
Интегральная / ЕЦ до 10 АБВ-6М
Блочная 4-петлевая / ПЦ 35 КЛТ-40С
Блочная 2-петлевая / ПЦ 150 ВБЭР-150
Блочная 4-петлевая / ПЦ 295 ВБЭР-300
КС 1 КС 2 КС 3
Рис. 2. Схема энергоснабжения магистрального газопровода
промышленных предприятий, находящихся в непосредственной близости и на незначительном удалении от АЭС, в том числе в сочетании с электроэнергией, полученной от альтернативных источников энергии [8]. Возможно направление излишков электроэнергии в энергетическую систему, как это происходит в Европе, когда частный потребитель при использовании солнечных батарей или ветряного генератора получает компенсацию за сбыт излишков электроэнергии.
Еще одним из перспективных вариантов мог бы быть сбыт электроэнергии зарубежным потребителям. С учетом того, что современный вектор развития ГТС направлен на восток, реализация электроэнергии в Китае и других странах с развивающимися экономиками может быть весьма перспективна поэтому, с целью ускорения сроков окупаемости АЭС возможно производить их строительство с заведомо большей мощностью, что позволит рассматривать объекты энергохозяйства как источники дополнительной прибыли.
Схема на рис. 2 предполагает обеспечивать потребность объектов магистрального транспорта газа в электроэнергии. При этом учтено, что ЭГПА обладают большей надежностью и нара-
боткой на отказ, что позволяет сократить число резервных агрегатов, а именно использование межцеховых перемычек позволит установить два резервных агрегата на три цеха. Кроме того, сеть-коллектор позволит пускать АЭС очередями по мере необходимости (рис. 3). На ранней стадии строительства АЭС обеспечит одну нитку, а с дальнейшим увеличением мощностей постепенно в эксплуатацию будет введена вторая и т.д.
Высокая надежность ЭГПА, их современные системы автоматического управления (САУ) позволяют говорить о возможности эксплуатации оборудования по техническому состоянию, они являются хорошими предпосылками для создания КС и газопроводов, которые будут эксплуатироваться и управляться из единого центра без привлечения обслуживающего персонала.
Компрессорные цеха целесообразно выполнять в блочно-модульном исполнении, когда происходит перенос общестанционных систем очистки газа и АВО на поагрегатный уровень (рис. 4).
Так как предполагается безлюдная эксплуатация объектов, представляющих повышенную опасность, отдельное внимание следует уделить вопросу безопасной работы, связанной с антропогенным фактором. Главной целью автономной системы защиты будет являться обеспечение безопасности функционирования энергосистемы и объектов магистрального транспорта газа. При этом средства и методы достижения этой цели не должны предполагать нанесения вреда здоровью человека даже в случае целенаправленного проникновения на охраняемую территорию.
На основании представленного материала можно сделать следующие выводы:
• более широкое использование электроприводных ГПА может рассматриваться как одно из направлений реализации Концепции энергосбережения ОАО «Газпром»;
• современные электроприводные ГПА более перспективны для внедрения безлюдных технологий обслуживания и эксплуатации КС;
Рис. 3. Схема электроснабжения магистрального газопровода на ранней стадии
Рис. 4. Технологическая схема КС
• уровень развития современных САУ, высокая надежность и большой межремонтный ресурс электроприводных ГПА обеспечивают существенное повышение эффективности работы;
• использование современных достижений ядерной энергетики позволяет решить проблему надежной поставки дешевой электроэнергии с обеспечением высокой экологической безопасности. При этом возможно сокращение затрат на строительство в случае применения новых перспективных технологий, что, в свою очередь, даст толчок к развитию смежных отраслей промышленности и обеспечит конкурентоспособность ядерных установок российского производства на мировом рынке;
• использование списанных энергетических установок позволит существенно сократить затраты на строительство новых газопроводов и модернизацию существующих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергосберегающие технологии при магистральном транспорте природного газа / Б.П. Поршаков, А.С. Лопатин, А.Ф. Калинин, С.М. и др. - М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. 408 с.
2. Ершов М.С., Яризов А.Д. Энергосберегающий электропривод технологических установок трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов: Учеб. пособ. - М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2011. 246 с.
3. Васильев Б.Ю. Исследование эффективности современных электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Нефтегазовое дело: Электрон. науч. журн. 2012. № 4. Режим доступа: http://ogbus.ru/
4. Поршаков Б.П., Лопатин А.С., Рябченко А.С., На-зарьина А.М. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций. -М.: Недра, 1992. 207 с.
5. Тарнавский В. Ториевый шанс // Российское атомное сообщество: Информ. портал. Ре-
жим доступа: http: // www.atomic-energy.ru/ smi/2011/12/26/29826
6. Данилевич Я.Б., Бордученко Ю.Л., Мурамович В.Г. и др. Об использовании ЯЭУ утилизируемых подводных лодок // Информ. агентство ПРоАтом Режим доступа: http://www.proatom.ru/modules. php?name=News&file=article&sid=1575
7. Гоголюк В.В., Крысов С.В. Перспективы энергоснабжения нефтегазовых объектов ОАО «Газпром» на шельфе северных морей и полуострове Ямал. Режим доступа: http://www.congress-gazprom.ru/ congress_tomsk/book_2006/gaz/gogoluk.htm
8. Бессель В.В., Лопатин А.С., Беляев А.А., Кучеров В.Г. Сокращение затрат газа на собственные нужды газотранспортных систем за счет использования возобновляемых источников энергии // Управление качеством в нефтегазовом комплексе: На-уч.-техн. журн. 2013. С. 17-20.
ALTERNATIVE ENERGY SOURCES AS A BASIS FOR THE INTRODUCTION OF UNMANNED MACHINERY OPERATION OF COMPRESSOR STATIONS
Antipov B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of thermodynamics and heat engines Miller A.A., student
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Leninskiy prosp., 65, korp.1, 119991, Moscow, Russia). E-mail: com@gubkin.ru
ABSTRACT
The advantages of using electrically driven gas pumping units for the introduction of a non-human technology of operation of compressor stations of the main gas pipelines are being considered in the article. Decommissioned nuclear power plants from submarines and atomic icebreakers are suggested as the source of electronic energy. Keywords: unmanned technology, operation of compressor stations, nuclear power plants.
REFERENCES
1. Porshakov B.P., Lopatin A.S., Kalinin A.F., Kuptsov S.M., ShotidiK.Kh. Energosberegayushchie tekhnologii pri magistral'nom transporte prirodnogo gaza [Energy saving technologies for the main pipeline transport of natural gas]. Moscow, 2014. 408 p.
2. Ershov M.S., Yarizov A.D. Energosberegayushchiy elektroprivod tekhnologicheskikh ustanovok truboprovodnogo transporta gaza, nefti i nefteproduktov [Energy saving electric technological installations of pipeline transport of gas, oil and oil products]. Moscow, 2011. 246 p.
3. Vasil'evB.Yu. Study of the efficiency of modern electric gas compressor units. The electronic scientific journal «Oil and gas», 2012, no. 4. Available at:http:// www.ogbus.ru/authors/Vasiliev/Vasiliev_1.pdf/ (Accessed 17 April 2015).
4. Porshakov B.P., Lopatin A.S., Ryabchenko A.S., Nazar'ina A.M. Povyshenie effektivnosti ekspluatatsii energoprivoda kompressornykh stantsiy [Improving the efficiency of operation of energoprivod compressor stations]. Moscow, 1992. 207 p.
5. Tarnavskiy V. Thorium chance. Information portal «Russian nuclear community», 26/12/2011. Available at: http://www.atomic-energy.ru/smi/ 2011/12/26/29826/ (Accessed 19 April 2015).
6. DanilevichYa.B., BorduchenkoYu.L., Muramovich V.G., Petukhov V.V., Solomenko N.S. About the use of nuclear power units of decommissioned submarines. Information Agency «Proatom», 17/11/2008. Available at: 0 http://www.proatom.ru/modules. php?name=News&file=article&sid=1575/ (Accessed 17 April 2015).
7. Gogolyuk V.V., Krysov S.V. Prospects for energy supply of oil and gas objects of JSC «Gazprom» on the shelf of the Northern seas and the Yamal Peninsula. Materialy XVI ezhegodnogo mezhdunarodnogo tekhnologicheskogo kongressa CITOGIC-2006, Tomsk [Proceedings of the 16th annual international technological Congress CIT0GIC-2006, Tomsk, Russia.] (in Russian) Available at: http://www. congress-gazprom.ru/congress_tomsk/book_2006/ gaz/gogoluk.htm(Accessed 18 April 2015).
8. Bessel' V.V., Lopatin A.S., Belyaev A.A., Kucherov V.G. Reduced costs of gas for own needs of gas transportation systems through the use of renewable energy sources. Upravlenie kachestvom v neftegazovom komplekse [Quality management in the oil and gas industry], 2013, pp. 17-20. (in Russian).
