CC BY
100
УДК 621.548+621.438
ГАЗОВЕТРОЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ © 2015 г. В. В. Бирюк, P.A. Серебряков, К). И. Цыбизов, Д.П. Шелудько
Для повышения надежности и возможности обеспечения аварийного электроснабжения на всех КС установлены специальные аварий но-резервные газотурбинные энергоагрегаты. В условиях непрерывного роста цен на централизованно поставляемую электроэнергию и повышения себестоимости транспорта газа целесообразно стремиться к сокращению или даже к ликвидации зависимости КС от поставок внешней дорогой электроэнергии.
При этом одно из во зможных направлений — выработка электроэнергии для обеспечения собственных нужд КС с использованием энергии ветра - с помощью вихревых ветроэнергетических установок. В их гиперболическом корпусе (статоре) происходит образование закрученного воздушного потока, подобного природному смерчу, обладающего значительным запасом кинетической энергии.
Вихревые установки, при значительно меньшей скорости ветра (2—3 м/с) и одинаковых площадях, омстасмых встроколесом, могут развивать примерно в пять раз большую мощность, чем лопастные ветроэнергетические установки с горизонтальной осью. Поэтому представляет интерес создание энергетических установок для собственных нужд КС путем разработки новых типов комбинированных газоветроэлектроаг-регатов вихревого типа с вертикальной осью и возможностью эффективного использования в них энергетического потенциала потоков отходящих газов ГПА и кинетической энергии набегающего потока ветра.
В зависимости от расхода и температуры выхлопных газов газовых турбин ГПА электрическая мощность газоветроэнергетических установок даже в безветренную погоду может составлять от 80 до 200 кВт. Причем с увеличением скорости ветра в них происходит повышение вихревого эффекта и. соответственно, мощности установки.
Рассмотренный принцип и конструктивная схема газоветроэнергетической установки дают возможность достаточно эффективно использовать для выработки электроэнергии энергию отходящего потока газов ГПА и кинетическую энергию набегающего возду шного потока.
При этом для нее характерны следу ющие положительные качества:
-увеличение скорости и кинетической энергии газовозду шного потока;
- увеличение массового расхода через осевую турбину.
Газоветроэнергетическими установками такого типа может быть оборудована значительная часть ГПА КС, находящихся на больших расстояниях от электростанций и транзитных высоковольтных ЛЭП.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, потери электроэнергии, газотурбинные энергоагрегаты. энергия ветра, вихревая ветроэнергетическая установка, отработавшие газы, комбинированный газовст-роэлсктроагрсгат.
То raise reliability and provide emergency power supply, all the gas compressor stations arc equipped with spccial emergency stand-by gas-turbine power units. In the context ofcontinuous increase ofcosl ofclcc-tric power supplied on a centralized basis, as well as gas transportation costs, it is appropriate to make efforts to reduce and even eliminate the gas compressor stations dependence on expensive energy supply from external sources.
One of possible approaches to generate electricity with the use of wind energy to satisfy BOP needs of gas compressor stations, with help of vortex wind power plants. In their hyperbolic frame (stator) whirling air flow is formed that is similar to natural tornados having considerable kinetic energy store. Vortex power plants operating at by far lower wind velocity (2-3 m/sec) and having similar areas swept by the wind wheel, can develop power which is five-fold higher than that of bladed wind power plants with a horizontal axis.
Therefore, the creation of power plants designed to satisfy balance-of-the plant needs of gas compressor stations through the development of new types of vortex combined gas-wind power units with vertical axis and the possibility to effectively use energy potential of exhaust gases flows of gas compressor stations and kinetic energy of ram wind flow, is of utmost interest.
Depending on consumption and temperature of exhaust gases of gas turbines of compressor stations, even in calin weather electric capacity of gas-wind power plants can amount to from 80 to 200 kW. Moreover, as wind v elocity increases, vortex ciTcct is intensified and. consequently, the plant capacity is raised.
The operating principle and construction diagram of the gas-wind plant make it possible to effectively utilize energy of exhaust gas flows of the gas pumping units and kinetic energy of ram air flow for electric power generation.
In addition, it is characterized by the following advantages:
- higher speed and kinetic energy of gas-air flow ;
- higher mass flow through the axial turbine.
It is essential that major part of gas-pumping units of gas compressor stations located at great distance that power plants and transit high-voltage power transmission lines can be equipped with gas-w ind power plants of this type.
Key words: gas compressor unit, loss of electricity, gas-turbine power units, wind energy, whirling wind power plant, exhaust, combined gas-electric generation wind.
Для обеспечения собственных электрических нужд каждой из сотен КС страны, оснащенных газоперекачивающими агрегатами (ГПА), затрачивается около 1,5-2,5 МВт электрической мощности. Электроснабжение КС производится от высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), удаленных от них на десятки и даже сотни километров. При этом потери при транспорте и трансформации централизованно поставляемой электроэнергии обычно составляют от 10 до 15% от электроэнергии, потребляемой на собственные нужды КС, и достигают в стране значительных величин.
Для повышения надежности и возможности обеспечения аварийного электроснабжения на всех КС установлены специальные аварийно-резервные газотурбинные энергоагрегаты [1].
В условиях непрерывного роста цен на централизованно поставляемую электроэнергию и повышения себестоимости транспорта газа, целесообразно стремиться к сокращению или даже к ликвидации за-
висимости КС от поставок внешней дорогой электроэнергии.
При этом одно из возможных направлений - оснащение газотурбинных КС высокоэкономичными газотурбинными или парогазовыми энергоустановками собственных нужд с отказом от низкоэкономичных аварийных энергоустановок. Но этот путь потребует больших капитальных затрат.
Другой путь - выработка электроэнергии для обеспечения собственных нужд КС с использованием энергии ветра. Но большинство из лопастных ветрогене-раторов, установленных на башнях высотой 30-40 м, с длиной лопаток ветроколеса 4-5 м и горизонтальной осью, развивают мощность порядка 800-1000 кВт при средней скорости ветра в 5-7 м/с. Удельные капвложения в эти ветрогенераторные установки находятся на уровне 1200-1400 $/кВт. Высокая стоимость и возможность получения требуемой мощности только в районах с высокими ветровыми нагрузками определяют их малую эффек-
тивность для обеспечения собственных нужд КС.
Значительно меньшую стоимость имеют вихревые ветроэнергетические установки [2, 3, 4]. В их гиперболическом корпусе (статоре) происходит образование закрученного воздушного потока, подобного природному смерчу, обладающего значительным запасом кинетической энергии.
В приосевой, центральной области вихря, сформированного в статоре, давление понижено относительно внешнего атмосферного давления. Благодаря этому в восходящий смерчеобразный столб всасывается дополнительная масса воздушного потока. В ветро колесе этой ветр о ген ера-тори ой установки, имеющей вертикально расположенную ось, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую работу, используемую для выработки электроэнергии.
Вихревые установки, при значительно меньшей скорости ветра (2-3 м/с) и одинаковых площадях, ометаемых ветро-колесом, могут развивать примерно в пять раз большую мощность, чем лопастные ветроэнергетические установки с горизонтальной осью [5, 6, 7].
Из сбросных труб газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций ежесекундно выбрасываются в атмосферу миллионы килограмм отработавших газов со скоростями порядка двадцати метров в секунду и с температурой до четырехсот градусов Цельсия.
Вместе с тем, кинетическая энергия уходящих газов ГТТА сравнительно невелика и практически не позволяет напрямую использовать их значительный энергетический потенциал для выработки электроэнергии и обеспечения собственных нужд КС. При увеличении скорости и кинетической энергии уходящих газов произойдет повышение сопротивления выхлопного тракта и снижение эффективного КПД газоперекачивающих агрегатов.
Поэтому представляет интерес создание энергетических установок для собственных нужд КС путем разработки новых типов комбинированных газоветро-электроагрегатов вихревого типа с вертикальной осью и возможностью эффектив-
ного использования в них энергетического потенциала потоков отходящих газов ГПА и кинетической энергии набегающего потока ветра.
В зависимости от расхода и температуры выхлопных газов газовых турбин ГПА электрическая мощность газоветроэнергетических установок даже в безветренную погоду может составлять от 80 до 200 кВт. Причем с увеличением скорости ветра в них происходит повышение вихревого эффекта и, соответственно, мощности установки.
На рисунке 1 изображена принципиальная схема движения в вихревой газоветроэнергетической установке потоков отходящих газов ГПА и атмосферного воздуха.
Установка этого типа снабжается входным завихрителем воздушного потока, вызывающим его вихревое движение с увеличением тангенциальной скорости, созданием разрежения в осевой части вихря и ускорением движения сбросного потока газов ГПА. Предварительно подкрученный поток газов, выходящий из выхлопной трубы ГПА, поступает в центральную часть цилиндрического статора установки и смешивается с воздушным потоком, ускоряясь вместе с ним. За счет того, что в осевой части статора газоветроэнергетической установки развивается небольшое разрежение, относительно атмосферного давления, в выходном тракте установки не будет происходить увеличения газодинамического сопротивления выхлопного тракта, снижения эффективного КПД газовой турбины или уменьшения мощности ГПА.
Если на периферии гиперболического статора преобладает тангенциальная составляющая скорости закрученного газовоздушного потока, то в его центральной части происходит значительное увеличение осевой скорости потока.
Важно, что при увеличении скорости ветра в газоветроэнергетической установке возрастает вихревой эффект, сопровождающийся увеличением скорости и расхода газовоздушной смеси и вызывающий повышение ее мощности.
Сц. С| - скорости воздушного и газового потоков на входе в газоветроустановку; С - абсолютная скорость газовоздушного потока у стенок статора; С?. Сг. Сф - проекции скорости С на оси координат; со и ъ - тангенциальная и осевая скорости газовоздушного потока Рисунок 1 - Схема газовоздушных потоков в статоре установки
Конструктивная схема газоветроэнер- ческую форму и установлен с воздушным гетической установки приведена на рисун- зазором над выхлопной трубой ГПА. ке 2. Корпус установки имеет гиперболи-
статор; 4 - направляющий аппарат; 5 - электрогенератор; 6 - лопатки осевой турбины;
7 - труба Вентури; 8 - флюгер Рисунок 2 — Принципиальная схема газоветроэнергетической установки ГПА
Воздушный ветровой поток с помощью криволинейных направляющих лопаток 2 завихривается с увеличением его тангенциальной скорости и поступает в гиперболический статор установки 3, где смешивается с предварительно закрученными газами, выходящими из выхлопной трубы 1 ГПА. Ускоренный в гиперболическом корпусе установки газовоздушный поток с помощью направляющего аппарата 4 подается на лопатки осевой турбины 6, приводящей во вращение электрогенератор 5. Над выходной частью статора 3 на подшипниках установлена труба Вентури, создающая дополнительное разрежение в верхней части корпуса установки. С помощью направляющей пластины 8 (флюгера) труба Вентури устанавливается по направлению ветра и способствует увеличению мощности осевой турбины 6 и электрогенератора 5.
Рассмотренный принцип и конструктивная схема газоветроэнергетической установки дают возможность достаточно эффективно использовать для выработки электроэнергии энергию отходящего потока газов ГПА и кинетическую энергию набегающего воздушного потока.
При этом для нее характерны следующие положительные качества:
- увеличение скорости и кинетической энергии газовоздушного потока;
- увеличение массового расхода через осевую турбину;
- разбавление горячих выхлопных газов ГПА потоком воздуха, снижение температуры газовоздушной смеси и уменьшение в них концентрации вредных веществ, что позволяет уменьшить высоту выхлопных труб ГПА,
- в результате применения трубы Вентури, в выхлопной трубе ГПА создается небольшое разрежение, приводящее к уменьшению гидравлических потерь в выходном тракте и к повышению эффективного КПД газовой турбины при той же мощности ГПА;
- главный положительный фактор -за счет обеспечения автономного электроснабжения собственных нужд повысится
надежность работы КС магистральных газопроводов;
— в случае установки на ГПА газоветроэнергетических агрегатов и сохранения централизованного электроснабжения, существенно снизятся затраты на покупку электроэнергии у внешних поставщиков или появится возможность сокращения потребления топливного газа аварийно-резервными газотурбинными энергоагрегатами.
Принципиально, газоветроэнергетическими установками такого типа может быть оборудована значительная часть ГПА КС, находящихся на больших расстояниях от электростанций и транзитных высоковольтных ЛЭП.
Литература
1. Конвертирование авиационных ГТД и газотурбинные установки наземного применения / Е.А. Гриценко, В.П. Даниль-ченко, СВ. Лукачев, В.Е. Резник, Ю И Цыбизов. - Самара: СПЦ РАН, 2004.
- 266 е.: ил.
2. Бирюк, В В. Вихревые энергетические системы для транспорта / В В. Бирюк.
- Самара: Известия СПЦ РАН «Перспективы и направления развития транспортной системы, 2007 - С. 167-171.
3. Серебряков, P.A. Вихревая ветроэнергетическая установка / P.A. Серебряков, ВВ. Бирюк // В сб. "Ракетно-космическая техника", сер. XII. - Самара, 2000. - С. 48-73.
4. Серебряков, P.A. Некоторые вопросы теории вихревой энергетики / P.A. Серебряков // Научные труды ВИЭСХ.
- 1999.-Т. 85.-С. 34-54.
5. Серебряков, P.A. Вихревая энергетика / P.A. Серебряков // Научные труды ВИЭСХ. - 2000. - Т. 86. - С. 80-92.
6. Серебряков, P.A. Вихревая энергетика в энергосберегающих технологиях / P.A. Серебряков, В.В. Бирюк, Ш.А. Пира-лишвили // Сб. докл. XIX школы-семинара «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях, Орехово-Зуево. - Москва: Издат. дом МЭИ, 2013.-С. 15-16.
References
1. Gricenko, E.A., Danil'chenko, V.P., Lukachev, S.V., Reznik, V.E., Cybizov, Ju.I. (2004), "Gas turbine engines and gas turbines Converting for terrestrial applications" ["Kon-vertirovanie aviacionnyh GTD i gazoturbin-nye ustanovki nazemnogo primenenija"], SPC RAN, Samara, 266 p.
2. Birjuk, V.V. (2007), "Vortex energy systems for transport" ["Vihrevye jenergeti-cheskie sistemy dlja transporta"], SOC of the RAS proceedings "Prospects and directions of development of transport system", pp. 167— 171.
3. Serebrjakov, R.A., Biijuk, V.V. (2000), "Whirlpool wind power plant" ["Vihrevaja vetrojenergeticheskaja ustanov-ka"], Aerospace and missile systems, No. 12, pp. 48-73.
4. Serebrjakov, R.A. (1999) "Some problems in the vortex energy theory" ["Nekotorye voprosy teorii vihrevoj jenergeti-ki"], Scientific works of Russian Agriculture Electrification Institute, No. 85, pp. 34-54.
5. Serebrjakov, R.A. (2000), "Vortex energy" ["Vihrevaja jenergetika"], Scientific works of Russian Agriculture Electrification Institute, No. 86, pp. 80-92.
6. Serebrjakov, R.A., Birjuk, V.V., Pi-ralishvili, Sh.A. (2013), "The vortex energy in energy-saving technologies" ["Vihrevaja jenergetika v jenergosberegajushhih tehnologijah"], Reports collection of XIX school-seminar "Problems of gas dynamics and heat and mass transfer in energy technology", Orekhovo-Zuyevo, Moscow, pp. 15-16.
Информация об авторах Бирюк Владимир Васильевич - доктор техн. наук, профессор кафедры теплотехники и тепловых машин, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (Национальный исследовательский университет) (Россия). Тел.: 8-927-715-73-09. E-mail: [email protected].
Серебряков Рудольф Анатольевич - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Федеральное агентство научных организаций ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8-917-576-97-83. E-mail: [email protected].
Цыбизов Юрий Иванович - доктор техн. наук, начальник отдела, Самарский научно-технический центр им. Н.Д. Кузнецова (Россия). Тел.: 8(846) 950-70-05. E-mail: [email protected].
Шелудько Леонид Павлович - канд. техн. наук, доцент, Самарский государственный технический университет (Россия). Тел. 8(846) 278-44-00. E-mail: [email protected].
Information about the authors Biryik Vladimir Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academic S.P. Korolev (National Research University) (Russia). Phone: 8-927-715-73-09. E-mail: [email protected].
Serebryakov Rudolf Anatolievich - Candidate of Technical Sciences, leading research scientist, FSBSI «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8-917-576-97-83. E-mail: [email protected].
Tsibizov Yury Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, chief of department, N.D. Kuznetsov Samara Scientific and Technical Complex (Russia). Phone: 8(846) 950-70-05. E-mail: [email protected].
Chelydko Leonid Pavlovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Samara State Technical University (Russia). Phone: 8(846) 278-44-00. E-mail: [email protected].
