CC BY
217
Энергобезопасность в документах и фактах
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рубрику ведет В.М. Аванесов,
заведующий кафедрой "Энергетика и энергосбережение" Московского института энергобезопасности и энергосбережения, кандидат технических наук, доцент
Автономные источники энергоснабжения на базе вихревой турбины, работающие на перепаде давления
Н.Д. Денисов-Винский,
ассистент кафедры "Энергетика и энергосбережение" Московского института энергобезопасности и энергосбережения
Россия - мировой лидер по добыче природного газа. В ее недрах сосредоточено более 25% мировых запасов. Промышленность и энергетика в России используют примерно 80% добываемого газа, бытовое хозяйство - 20%. Газ доставляется потребителям через сеть газопроводов, развитие которых имеет очень большое значение. В настоящее время создана Единая система газоснабжения (ЕСГ) с общими центрами управления, что позволяет менять направление подачи газа, ликвидировать колебания в его поступлении. Отдельные ветки газопроводов объединены и закольцованы.
Природный газ подаётся потребителям под определенным давлением в зависимости от условий его использования (в частности, от принятого давления перед приборами, агрегатами и т. д.). Газосбытовая организация обеспечивает требуемое давление в газораспределительных сетях и на входе у потребителей. Газораспределительные станции (ГРС) и установки (ГРУ), в свою очередь, снижают давления газа, поступающего к потребителю, до необходимого и автоматически поддерживают его постоянным независимо от расхода газа и колебания его давления до ГРС (ГРУ). Кроме того, на ГРС (ГРУ) осуществляется очистка газа от механических примесей, контроль за входным и выходным давлением и температурой газа, учет расхода (в случае отсутствия специального пункта измерения расхода), предохранение от воз-
можного повышения или понижения давления газа в контролируемой точке газопровода сверх допустимых пределов.
Система газоснабжения городов и поселков, являясь составной частью Единой системы газоснабжения, состоит из источника газоснабжения, газораспределительной сети и внутреннего газового оборудования. При использовании природного газа функции источников газоснабжения городов выполняет магистральный газопровод. Газовая распределительная сеть представляет собой систему трубопроводов и оборудования, служащих для транспорта и распределения газа внутри города. Газопроводы распределительной сети условно делятся на магистральные и распределительные. По магистральным газопроводам газ передается из одного района города в другой, а по распределительным газопроводам -непосредственно потребителям.
В зависимости от максимального рабочего давления существует несколько типов газопроводов:
• низкого давления, при непосредственном присоединении потребителей к газовым сетям давление газа в них не должно превышать
0,002 МПа (200 мм вод. ст.);
• среднего давления, давление газа 0,005 - 0,3 МПа (0,05 - 3 кгс/см2);
• высокого давления, давление газа 0,3 - 0,6 МПа (3 - 6 кгс/см2) и 0,6 -1,2 МПа (от 6 до 12 кгс/см2).
нвиииииш
Энергосбережение
11 =
В настоящее время большое количество потенциальной энергии магистрального газа безвозвратно теряется в редукторах и регуляторах давления на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах. Известны примеры использования перепада давления. Так на ТЭЦ-21 ОАО "Мосэнерго" вместо ГРС установлен детандер-генераторный комплекс, включающий в себя два детандер-генератор-ных агрегата (ДГА) мощностью 5000 кВт каждый. Расход газа составляет 250.000 нм3/ч. Снижение давления происходит с 12 до 1 избыточной атмосферы. Установка эксплуатируется с 1995 года и показала хороший экономический эффект. Аналогичный комплекс должен быть установлен на ТЭЦ-23 до конца 2007 года.
ДГА на ТЭЦ-21 работает на базе осевых турбин, предназначенных для больших объёмных расходов. Уменьшение расхода приводит к увеличению числа оборотов вала турбины, которые могут достигать десятки, сотни тысяч оборотов, следовательно, для привода генератора необходим редуктор. Возникают проблемы с подшипниками. Машины сложны в конструкции, имеют высокую себестоимость в изготовлении. Из-за их чувствительности к выпадению конденсата и образованию гидратов в процессе расширения необходимо применение подогревателя газа. Всё это делает применение ДГА на базе центростремительных и осевых турбин на малых и средних ГРС невыгодным.
Предложенные решения ДГА на базе винтового компрессора для малых и средних ГРС позволяют избавиться от вышеперечисленных недостатков. Однако винтовой детандер - это двухроторная машина, из технологически сложной в изготовлении винтовой пары, имеющая синхронизирующую переда-
чу, которую необходимо смазывать, и обладающая низкочастотным шумом.
Более перспективным является создание ДГА на базе вихревых турбин (ВТ). Основными преимуществами ВТ, в сравнении с осевой, центростремительной или винтовой, являются простота конструкции, технологичность и низкая себестоимость изготовления, сравнительная низкооборотность, что делает возможным безредукторное исполнение агрегата, низкая чувствительность к выпадению конденсата и гидратообразованиям.
В вихревой ступени рабочее тело через сопло поступает в проточную часть, образованную каналом корпуса и межлопаточными каналами рабочего колеса, вращающегося в корпусе с малыми радиальными и торцевыми зазорами (рис. 1). Средняя окружная составляющая скорости (среднерасходная скорость) рабочего тела в канале больше окружной скорости рабочего колеса. Чтобы эффективно использовать энергию рабочего тела, находящегося в канале, организовывается продольно-вихревое движение по длине проточной части. В этом случае частицы газа в проточной части турбины движутся по спиралеобразным траекториям от входа к выходу машины, многократно взаимодействуя с лопатками рабочего колеса и постепенно отдавая ему энергию.
При перемещении частиц в межлопаточных каналах рабочего колеса изменяются направление и величина скорости и момент количества движения, в результате чего на лопатках появляются силы, приводящие колесо в движение. Это продольно-вихревое течение является базовым при обмене энергией между частицами газа в канале корпуса и лопатками рабочего колеса, и чем интенсивнее оно организовано, тем выше эффективность турбины. Из проточной
наииишииИ
Энергобезопасность в документах и фактах
части газ отводится через выходное отверстие. Между соплом и выходным отверстием располагается отсекатель.
При работе вихревой машины в режиме привода на сжимаемой среде вследствие уменьшения плотности рабочего тела по длине проточной части увеличивается скорость в канале корпуса в окружном направлении. То есть спиралевидные линии тока как бы растягиваются, что приводит к уменьшению числа взаимодействий частиц рабочего тела с лопатками колеса, приходящегося на единицу длины проточной части, от входа к выходу ступени. Кроме того, по длине проточной части уменьшается масса рабочего тела, переносимая в межлопаточных каналах рабочего колеса в единицу времени. Следовательно, в
вихревой ступени, работающей в режиме пневмопривода, важно организовать поток газа, обеспечить интенсивную передачу энергии на начальном участке проточной части. Это может быть достигнуто, например, применением сопла, определённым образом ориентированного относительно лопаток рабочего колеса.
Ступень с внешним периферийным каналом наиболее технологична и конструктивно проста, особенно при исполнении многоканальных и многопоточных схем по сравнению с вихревыми ступенями, имеющими другие типы проточных частей (с боковым, периферийно-боковым, внутренним периферийным каналами и др.). Ступень с периферийно-боковым каналом, особенно с криволинейной проточной
Рис. 2. Схема проточной части вихревой турбины
Н8ИИИИИШ
Энергосбережение
13 =
частью и радиальными рабочими лопатками, представляет значительный интерес, так как криволинейная проточная часть является высокоэффективной при работе в компрессорном режиме, а радиальные лопатки рабочего колеса дают возможность получения реверсивного движения.
Основными потерями в вихревой турбине являются неизбежные потери на организацию вихревого рабочего процесса. Потери, обусловленные переносом газа через отсекатель, относительно невелики в отличие от вихревых компрессоров.
Для разработки вихревой турбины была выбрана ГРС со среднесуточным расходом газа 4500 нм3/ч. Понижение давления происходит с 1,0 ... 1,3 до 0,2 МПа. ГРС включает блоки переключений, очистки газа, подогрева газа, редуцирования и учёта. Блок редуцирования состоит из двух линий, на одну из которых предполагается установить вихревую турбину, а другая является резервной. Схема вихревой ступени выбрана с внешним периферийным каналом, так как предполагалось разрабатывать многосекционную турбину для различных расходов и с несколькими ступенями в зависимости от давления на входе. Подача газа на ротор осуществляется с диаметрально противоположных сторон, что избавляет его от радиальных усилий. Подшипники вынесены из зоны корпуса, так как в процессе расширения газ охлаждается. Благодаря сравнительно низким оборотам турбины были использованы обычные подшипники качения. Расчёты показали, что при заданных условиях (расход - 4500 нм3/ч, сброс давления с 1,0 до 0,2 МПа) мощность на валу турбины составляет порядка 70 кВт. Эта мощность может быть использована для привода генератора с выдачей электроэнергии в сеть.
На рис. 2 представлена модель вихревой турбины, разработанная студентом 6-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана Денисовым-Винским Н.Д. под руководством доцента кафедры "Вакуумная и компрессорная техника" Сергеева В.Н. Давление на входе в турбину 12 избыточных атмосфер, на выходе 1 избыточная атмосфера. Производительность 4500 нм3/ч. Частота
вращения вала 3000 об/мин. Турбина состоит из двух ступеней. В каждой ступени степень понижения давления составляет рст=2,5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поиск новых источников энергии - задача, которая никогда не теряет актуальности. Идея использования вихревых турбин возникла уже достаточно давно - в далёком 1947 году, когда сеть магистральных газопроводов представляла собой несколько лучей на карте страны. В то время академик Миллионщиков предложил использовать в качестве энергии перепад давления газа, вместо редукционного клапана, снижающего давление газа, устанавливается газовая турбина-детандер, на роторе которой давление упадёт до заданной величины, а сам ротор может вращать электрогенератор или компрессор.
Существует множество примеров эксплуатации крупных турбодетандерных агрегатов для выработки электроэнергии. Их целесообразность не вызывает сомнения. В то же время в системе газоснабжения страны имеется огромное количество небольших ГРС и крупных КРП, где редуцирование газа идёт также с потерей потенциальной энергии. Расчёты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПА температура его снижается на 50 - 60 °С (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (к примеру от 1,8 до 0,3 МПа) разность температур возрастает до 70 - 80 °С. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20 °С, то температура на выходе составит -30 ... - 40 °С в первом и - 50 ... - 60 °С во втором случаях.
Таким образом, безредукторное исполнение, относительная низкая себестоимость изготовления, простота конструкции делают вихревую турбину перспективной для использования её в качестве источника электроснабжения и, одновременно, для утилизации энергии магистрального газа.
Литература
1. Ванеев С.М. Разработка и исследование вихревого пневмопривода с внешним периферийным каналом и сопловым аппаратом. Диссертация на соискание степени к.т.н. - М., 1986. - 183 с.
наииииимиИ
