CC BY
380
УДК [621.515:621.438] :621.64
Ю. М. Худалиев Астраханский государственный технический университет
АНАЛИЗ СХЕМ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ
Газовая промышленность является одним из самых крупных потребителей природного газа и энергии. Увеличение добычи газа сопровождается повышением расхода топливного газа и увеличением выхода вторичных энергоресурсов (ВЭР) при его транспортировке. Из общего объема газа, расходуемого магистральными газопроводами, 85-90 % приходится на топливный и пусковой газ при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорной станции (КС), остальные 15-10 % расходуются при обслуживании технологических установок компрессорных и газораспределительных станций и при эксплуатации линейной части магистральных газопроводов [1, 2].
Наиболее эффективное использование ВЭР на КС возможно при комплексном подходе, который дает наибольшую степень утилизации ВЭР. При малом количестве тепловых источников ВЭР (табл. 1) на КС существует большое количество направлений и способов утилизации этих ресурсов.
Таблица 1
Морфологический анализ энергоисточников КС
Вариант утилизации ВЭР Источники ВЭР
Г азотурбинная установка Нагнетатели природного газа
Отопление и горячее водоснабжение В* В
Вентиляция В В
Кондиционирование воздуха В В
Подогрев нефти В В
Выработка электроэнергии В ПВ**
Совершенствование цикла ГТУ В ПВ
Получение пресной воды В -
Выработка холода В В
Углекислотная подкормка растений В -
Тепличное хозяйство В В
В - возможное направление. ПВ - потенциально возможное направление.
Большую часть по количеству и энергоемкости на КС составляют ВЭР газотурбинных установок (ГТУ) - выбрасываемые в атмосферу дымовые газы. Второе место занимают ВЭР нагнетателей природного газа, представляющие собой тепло компримированного газа, которое отводится в окружающую среду с помощью агрегатов воздушного охлаждения.
Теплообменники-утилизаторы, применяемые в схеме утилизации ВЭР КС, приведены в табл. 2 [3].
Таблица 2
Качественные показатели теплообменников
Показатель* Тип теплообменника
Кожухотрубный Пластинчатый На тепловых трубах С циркуляциионным контуром
Температурная эффективность 40-80 % 40-75 % 40-80 % 40-75 %
Разборность теплообменника О У Х У
Доступность очистки теплообменной поверхности У У Х У
Устойчивость к обледенению без защиты - О Х У
Эффективность с системой защиты - О Х У
Компактность О Х Х Х
Материалоемкость О Х Х Х
Унификация типоразмерного ряда О У Х О
Возможность использования несовмещенных потоков воздуха О О О Х
*Для оценки показателей в таблице использованы три уровня: О - плохо; У - удовлетворительно; Х - хорошо.
Рассмотрим ряд наиболее рациональных схем утилизации ВЭР.
В первой схеме (рис. 1) используется только теплота уходящих дымовых газов, которая расходуется на совершенствование цикла ГТУ, в частности на подогрев циклового воздуха и топливного газа. В качестве утилизаторов для подогрева применяются трубчатые теплообменники. Анализ регенеративных ГТУ показывает, что использование воздухоподогревателей повышает КПД установки на 3-4 %. Высокотемпературный подогрев топливного газа способствует испарению конденсата в подогревателе и в значительной степени снижает химическую неполноту сгорания топлива, из-за которой КПД в установке снижается на 1,5-3 % [4].
Рис. 1. Принципиальная схема ГПА с подогревом топливного газ и регенератором:
1 - компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - нагнетатель; 4 - камера сгорания;
5 - подогреватель топливного газа; 6 - регенератор
Вторая схема представляет собой сочетание газотурбинного процесса с процессом выработки пара в котле-утилизаторе 6 (рис. 2) [4]. Расположенный после выхлопного патрубка турбины котел-утилизатор позволяет заметно уменьшить потери теплоты с уходящими газами и при температуре газов на выходе из котла 120-150 °С довести суммарный коэффициент использования топлива до 80 %.
Газ
2
Рис. 2. Принципиальная схема ГПА:
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - 1 ступень газовой турбины; 4 - 2 ступень газовой турбины; 5 - нагнетатели; 6 - котел-утилизатор; 7 - паровая турбина; 8 - конденсатор;
9 - циркуляционный насос; 10 - подтопочное устройство
Парогазовые установки (ПГУ) используются:
- для выработки пара и получения механической энергии в паровой турбине с дальнейшим использованием ее для привода нагнетателя газа, генерирования электроэнергии, выработки пара и использования его непосредственно в газовой турбине путем впрыска в камеру сгорания ГТУ и увеличения ее мощности;
- производства электроэнергии путем сброса выхлопных газов ГТУ в котел энергетических параметров;
- создания комбинированных комплексных установок парогазового цикла.
Создание ПГУ в условиях КС позволяет более полно и круглогодично использовать теплоту продуктов сгорания как на собственные нужды, так и для стороннего потребителя. Установлено, что утилизация теплоты продуктов сгорания ГТУ с КПД 29 % позволяет получать пар давлением 1,4 МПа в объеме 9 000 кг/ч, что достаточно для повышения мощности на валу нагнетателя до 12 000 кВт при первоначальной мощности ГТУ 10 000 кВт. Суммарный КПД ПГУ возрастает до 38 %, или на 9 %.
Наиболее полно и эффективно можно использовать теплоту продуктов сгорания ГТУ путем комплексного комбинированного использования ее в различных агрегатах (рис. 3) [4]. В схеме предусмотрены:
- высокотемпературный нагрев топливного газа и подача его в камеру сгорания ГТУ;
- выработка пара и его использование в паровой турбине для привода нагнетателя или электрогенератора;
- подача части пара в область камеры сгорания для увеличения мощности ГПА;
- нагрев технологической и теплофикационной воды и использование компонентного состава
Рис. 3. Комплексная комбинированная система утилизации теплоты сгорания ГПА: 1 - камера сгорания;
2 - газовая турбина; 3 - компрессор; 4 - нагнетатель; 5 - подогреватель топливного газа;
6 - котел-утилизатор; 7, 8 - паровая турбина; 9 - химводоподготовка; 10 - деаэратор;
11 - экономайзер; 12 - бойлер; 13 - паровой контур высокого давления; 14 - пароперегреватель;
15 - электрогенератор; 16 - конденсатор; 17 - паровой контур низкого давления;
18 - контактный экономайзер; 19 - каталитический реактор; 20 - тепличный комплекс
В комплексной установке в первую очередь решаются вопросы удовлетворения энергетических нужд на самой КС и прилегающих к ней объектах (поселки, теплицы и т. п.).
Повышение эффективности использования газа в схеме (рис. 4) [5] достигается за счет утилизации теплоты компримированного газа, которая расходуется на подогрев воды как отопительной системы, так и горячего водоснабжения. В этой схеме преследуются две цели: охлаждение природного газа после нагнетателя, утилизация тепла сжатого газа.
Рис. 4. Принципиальная схема ТГА с подогревом воды отопительной системы:
1 - насос; 2 - емкость; 3 - газоохладитель; 4 - теплообменник; 5 - вентилятор; 6 - отопительная система;
7 - обводной трубопровод
Вода после газоохладителя 3 поступает в емкость 2, откуда либо полностью (зимой), либо частично (весной, осенью) подается насосом 1 в отопительную систему 6. Частично охладившись в отопительной системе, вода поступает в теплообменник 4, где охлаждается воздухом, подаваемым вентилятором 5. Для случаев критических нагрузок (резко отрицательные температуры) вентилятор 5 может быть отключен. Летом, при отсутствии необходимости в отоплении, вода из емкости 2 по трубопроводу 7 подается прямо в аппарат воздушного охлаждения 4.
В схеме на рис. 5 [5] теплота сжатого газа в противоточном теплообменнике передается жидкому рабочему телу (хладагенту) без изменения его агрегатного состояния.
Газ от нагнетателя
Рис. 5. Принципиальная схема утилизации теплоты компримированного газа с применением турбины на вскипающем потоке: 1 - газовый холодильник;
2 - гидропаровая турбина; 3 - генератор; 4 - насос; 5 - конденсатор
Для этого давление хладагента должно быть несколько выше давления насыщения при температуре Т\. Для преобразования теплоты в работу используется детандер на вскипающем потоке (гидропаровая турбина - ГИТ). Из ГПТ двухфазный поток попадает в конденсатор, где паровая фаза конденсируется при температуре окружающей среды, после чего давление жидкого хладагента повышается насосом до исходного и он снова подается в теплообменник. Количество энергии, потребляемой насосом, на порядок меньше количества энергии, вырабатываемой в идеальной ГИТ.
Выводы
1. Существующие схемы утилизации ВЭР предполагают только раздельное использование теплоты компримированного газа и теплоты уходящих дымовых газов, вследствие чего наиболее целесообразным будет комплексное решение утилизации ВЭР.
2. В схемах охлаждения природного газа и одновременной утилизации теплоты ком-примированного газа используются трубные рекуперативные, контактные теплообменники (экономайзеры), теплообменники с циркулирующим контуром.
3. Схемы утилизации компримированного газа предполагают конечные охладители, замкнутые на окружающую среду. Перспективным направлением является поиск источника низкой температуры на КС, мощности которого достаточно для охлаждения природного газа. Для повышения эффективности переноса низкопотенциальной теплоты в схеме утилизации теплоты компримированного газа предлагается использовать теплообменники с тепловыми трубами, имеющие более высокие технические характеристики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поршаков Б. П., Лапатин А. С. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций. - М.: Недра, 1992. - 208 с.
2. Поршаков Б. П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин. - М.: Недра, 1982. - 184 с.
3. Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах / Л. Л. Васильев, В. Г. Киселев, Ю. Н. Матвеев, Ф. Ф. Молодкин; Под ред. Л. И. Колыхана. - Минск: Наука и техника, 1987. - 200 с.
4. Шанин Б. В., Новгородский Е. Е., Широков В. А. Энергосберегающие установки в промышленности и защита воздушного бассейна: Учеб. пособие. - Н. Новгород: Волго-Вятское кн. изд-во, 1991. - 256 с.
5. Васильев Ю. Н., Марголин Г. А. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций. - М.: Недра, 1977. - 222 с.
Статья поступила в редакцию 1.11.2006
THE ANALYSIS
OF RECYCLING CIRCUITS OF SECONDARY POWER RESOURCES OF GASTURBOCOMPRESSOR STATIONS
Yu. M. Hudaliev
The increase of extraction of gas is accompanied by increase of the charge of fuel gas and increase of an output of secondary power resources at its transportation. The analysis of recycling circuits of heat of combustion gases of compressor stations showed a possibility of its use to increase the efficiency of the gasturbine unit, to get vapor, used for turbine output and for heating of the rooms of compressor station with the help of heat pump system, driven by the gas-turbine unit. The existing recycling circuits of secondary power resources assume only separate use of heat of compressing gas and heat of outgoing combustion gases, thus, the complex decision of recycling of secondary power resources will be the most expedient one. The recycling circuits of compressing gas assume the final coolers closed on the environment. The perspective direction is a search of a source of low temperature at compressor station sufficient for cooling of natural gas. To increase the efficiency of low-grade heat transfer in the recycling circuit of compressing gas heat the use of heat exchangers with the thermal pipes with higher characteristics.
