CC BY
287
УДК 622.691.4.052.012
Определение показателей
энергоэффективности в магистральном транспорте газа
И.Р. БАНКОВ, д.т. н., профессор, профессор, зав. кафедрой ПТЭ,
М.И. КУЗНЕЦОВА, аспирант кафедры ТХНГ,
С.В. КИТАЕВ, д.т. н., доцент кафедры ТХНГ
Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
E-mail: [email protected]
Компания ОАО «Газпром» обеспечивает природным газом потребности не только России, но и некоторые зарубежные страны. Значительная доля (74,6%) топливно-энергетических ресурсов на собственные нужды расходуется в магистральном транспорте и при подземном хранении газа. При этом 93,2% в балансе потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляет природный газ. В работе предложен показатель эффективности функционирования технической системы, состоящей из группы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГГПА), учитывающий функцию надежности. Предлагаемый показатель может рекомендоваться как дополнительный критерий к применяемым в ОАО «Газпром» показателям энергоэффективности.
Ключевые слова: энергосбережение, показатель энергоэффективности, коэффициент полезного действия, газотурбинный газоперекачивающий агрегат, надежность.
в соответствии с [1] вопросы энергоресурсосбережения в настоящее время являются весьма актуальными в связи с высокой энергоемкостью Российской экономики. Одной из крупнейших компаний топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России является ОАО «Газпром», которая осуществляет магистральный транспорт и распределение природного газа.
Часть добытого газа расходуется на собственные и технологические нужды магистрального транспорта газа. Оценка эффективности расходования энергетических ресурсов производится на основании энергетических обследований. Энергетические обследования объектов ОАО «Газпром» производятся в целях контроля показателей эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), установления фактов и причин нерационального и неэффективного использования ТЭР [2].
На рис. 1 приведено распределение расхода ТЭР по направлениям деятельности ОАО «Газпром».
Рассматривая потребление ТЭР на собственные нужды по видам энергоносителей, следует отметить, что доля природного газа в балансе потребления составляет величину 93,2%.
Контроль за расходованием природного газа на нужды магистрального транспорта газа осуществляется по величине показателей энергоэффективности. Основным потребителем природного газа на собственные нужды при перекачке газа являются газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГГПА).
В соответствии с [3] для оценки эффективности расходования природного газа на собственные нужды для ГГПА с газотурбинным приводом используются следующие показатели энергоэффективности:
• коэффициент полезного действия газоперекачивающего агрегата, %:
Пггпа = П • Ппш, (1)
где пе— эффективный КПД газотурбинной установки, %; цпол— поли-тропный КПД центробежного нагнетателя, %.
• удельный расход топливного газа газотурбинного газоперекачивающего агрегата, м3/кВт-ч:
ЕГтТУ = 3600/(Пггпа ' О) , где Ярн— низшая теплота сгорания топливного газа, кДж/м3.
Электротепло- п___„
снабжение- ПотРеб"те™ Прочее; 7,5%
снаожение отрасли; 3,7%
Распределение _3,4%
газа; 0,7%
Бурение; 0,1%.
Переработка
газа; 2,3%
Добыча газа;
7,7%
(2)
Транспорт газа иПХГ;74,Ь%
Рис. 1. Структура распределения расхода
ТЭР по направлениям деятельности ОАО «Газпром»
Проведём анализ результатов энергетических обследований одной из КС. Обследовались разнотипные агрегаты ГТК-10 и ГПА-16 «Уфа», установленные на КС (КЦ-1,2,3).
На рис. 2 приведены результаты сравнения соответствия фактических показателей КПД нормативным значениям. Подобное сравнение позволяет выявить агрегаты, имеющие потенциал возможного повышения энергетической эффективности. Расчётное фактическое значение КПД агрегатов в среднем составляет величину 21,1%, нормативное значение — 27,3%.
Для единой характеристики разнотипных агрегатов можно использовать показатель относительной эффективности, который определяется соотношением:
П.
Э =
'ф
• 100 %
п
(3)
Потенциал повышения энергетической эффективности определяется по формуле:
П = 100 - Э,
(4)
где Э — относительная эффективность работы ГПА.
Потенциал повышения энергетической эффективности ГГПА, рассчитанный по формуле (4), составляет в среднем величину 22,6%.
На рис. 3 приведены результаты сравнения расчётных фактических и нормативных значений удельного расхода топливного газа ГГПА. Фактический удельный расход топливного газа в среднем по ГГПА на 33,3% выше нормативного значения.
Рис. 2. Распределение КПД газотурбинных ГПА
Направления повышения энергетической эффективности агрегатов определяются на основе оценки технического состояния ГГПА и анализа эффективности режимов компримирования газа.
Для оценки эффективности расходования природного газа на собственные, технологические нужды и потери компрессорного цеха используются локальные и системные показатели энергоэффективности.
Показатели локальной энергоэффективности определяются как отношение расхода топливно энергетического ресурса на единицу политропной работы сжатия компрессорного цеха. Показатели системной энергоэффективности определяются как отношение расхода топливно-энергетического ресурса на единицу эквивалентной товаротранспортной работы (ТТР).
Группа показателей рекомендуемых в методике [3] позволяет произвести оценку энергоэффективности объекта только с точки зрения расходования топливно-энергетических ресурсов. Влияние надёжности на энергетическую эффективность работы оборудования показатели не учитывают. Поэтому представляет интерес разработка методики расчета дополнительных показателей энергоэффективности, учитывающих надежность оборудования компрессорного цеха.
Газотурбинным ГПА свойственны отказы, взамен отказавшего агрегата в работу включается резервный агрегат. При этом, кратковременно происходит сокращение производительности газопровода, а компенсация расхода осуществляется за счет изменения запаса газа в газотранспортной системе. При восстановлении технологического режима перекачки газа расход газа на собственные нужды увеличивается.
Объёмы перекачки газа не постоянны и меняются в зависимости от установленных планов транспорта газа. Для перекачки плановых объёмов газа в работе обычно находится несколько агрегатов (два или три) при оснащении цеха ГПА с полнонапорными нагнетателями, поэтому при разработке показателей будем рассматривать КЦ как систему, включающую несколько ГГПА, находящихся в работе.
Для оценки эффективности функционирования такой технической системы из ГГПА, работающих по схеме в «параллель», применим метод оценки надежности технических систем длительного действия [4].
Для системы, состоящей из п независимых элементов, каждый из которых может находиться в двух состояниях (работоспособности и отказа), расчетная формула имеет следующий вид: Е (', ' + '0) =
= Ф0Н 0
Распределение удельного расхода топливного газа
1
1 + Е зг | Ф, (X) (X) й (х,) +
1 '+ '0 '+■
+ Е | (X, ) йХ, |
Ш<]<Н V] ' '
(X,, X])(Х]) йх, + ...
' + '0
Ф
(5)
)
П
где Ф0 — условный показатель эффективности функционирования системы при условии, что ни один из элементов не отказал в интервале [М+^]; Ф(х) — условный показатель эффективности функционирования системы при условии, что отказал только ¿-й элемент, причём отказ его произошел в момент времени xi(t<x<t+t0У; Ф1(х,х) — условный показатель эффективности функционирования системы, при условии, что отказали ¿-й и 1-й элементы, причём отказы их
произошли в моменты времени х. и х■ соответственно
¿ 1
(t<x¿<t+t0, ^х^+у; Н0 — вероятность того, что ни один из элементов системы не откажет в течение интервала [^ t+t0].
Рассмотрим пример оценки эффективности функционирования системы из 2-х ГГПА для КЦ-2. На КС установлены агрегаты с газотурбинным приводом типа ГТК-10.
На рис. 4 приведён график распределения отказов ГГПА с приводом типа ГТК-10 в зависимости от наработки после капитального ремонта, полученный по экспериментальным данным.
С учётом данных (см. рис. 4) установлен экспоненциальный закон распределения отказов. Экспоненциальное распределение с параметром интенсивности отказов X имеет плотность вероятности:
/ (*) = 1
0
X ■ е
-X
если ! < 0
если ! > 0
(6)
Введём обозначения в условиях решения поставленной задачи: — производительность ¿-го ГПА, X — интенсивность отказов ¿-го ГПА.
При экспоненциальном законе распределения вероятности безотказной работы формула (5) для определения средней пропускной способности в момент времени ^ примет вид:
Е % = Е (/) = Е Я г • е
1=\
-и
(7)
где е — функция надёжности.
Объём перекачки газа за период времени [М+£0] может быть определён по формуле:
[ п О
Е(0, Г) = | Е (Г)Ж = X — (1 -0 1 X,
е ' ) .
(8)
Определим с учётом времени отказов среднюю пропускную способность системы из 2-х ГГПА, работающих по схеме в «параллель». Интенсивность отказов ГПА равна ч-1.
Произведя вычисления по формуле (7), получим среднюю пропускную способность системы 48,3 млн м3/сут. (наработка ГГПА — 4 тыс.ч), при возможной пропускной способности в случае безотказной работы равной 58 млн м3/сут. Поддержание плановых объёмов перекачки осуществляется включением в работу резервного агрегата.
Следовательно, можно заключить, что эффектив-
Рис. 4. Распределение отказов ГГПА с приводом типа ГТК-10
ность функционирования системы при наработке 4 тыс.ч снижается на 23%. При наработке 25 тыс.ч эффективность функционирования системы снижается на 82%, при известном законе распределения отказов (см. рис. 4).
Выводы:
1. Произведён анализ расчётных показателей энергетической эффективности ГГПА (трех) цеховой КС. Показано, что удельный расход топливного газа превышает нормативное значение на 33,3%, при этом потенциал повышения энергетической эффективности ГГПА составляет 22,6%.
2. Показано, что показатели энергоэффективности, рекомендованные к использованию при проведении энергетических обследований объектов ОАО «Газпром» не учитывают надежность оборудования. В то время как отказы ГГПА приводят к дополнительному расходованию топливно-энергетических ресурсов на собственные нужды.
3. Предложен дополнительный коэффициент Ех, характеризующий эффективность функционирования системы из ГГПА на компрессорной станции, учитывающий надежность работы агрегатов. Получено, что эффективность функционирования ГГПА типа ГТК-10, оцененная по величине Ех в течение межремонтного периода 25 тыс.ч снижается на 82% при известном законе распределения отказов оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ.
2. Энергетические обследования и энергетический аудит. Информационный сборник № 2. — М.: ОАО «Газпром». Управление энергетики, 2004. — 198 с.
3. СТО Газпром 2-3.5-113-2007. Методика оценки энергоэффективности газотранспортных объектов и систем. — М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности», 2007. — 54 с.
4. Надежность технических систем: Справочник / Под ред. И.А.Ушакова. — М.: Радио и связь, 1985. — 608 с.
DETERMINATION OF INDICATORS OF POWER EFFICIENCY OF GAS TURBINE AND GAS TRANSFER UNITS
Baikov I.R., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair of Industrial Heat Power Engineering
Kuznetzova M.I., Postgraduate Student, Chair of transport and Storage of Oil and Gas
Kitaev S.V., Doctor of Technical Sciences, Senior Lecturer of Chair of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (Kosmonavtov str., 1, Ufa 450062 Russian Federation)
E-mail: [email protected]
ABSTRACT
OAO «Gasprom» company meets the requirements in natural gas not only of Russia, but also of some foreign countries. Considerable part of Fuel Power Resources (FPR) for own needs is expended in gas main transport and sub-surface storage of gas — 74,6%. And 93,2% in balance of consumption of Fuel Power Resources makes up for natural gas. An indicator of efficiency of functioning of technical system including Gas Turbine and Gas Transfer Unit Group is proposed in this work, the indicator taking into account the function of reliability. The proposed indicator may be recommended as supplementary criterion for indicators of power efficiency used in OAO «Gasprom».
Keywords: energy saving, indicator of power efficiency, efficiency, gas turbine and gas transfer unit, reliability.
REFERENCES
1. Ob energosberezhenii i o povyshenii energeticheskoy effektivnosti i o vnesenii izmeneniy v otdel'nyye zakonodatel'nyye akty Rossiyskoy Federatsii. Federal'nyy zakon Rossiyskoy Federatsii ot 23 noyabrya 2009. №261-FZ [On energy saving and energy efficiency improvements and on amendments to certain legislative acts of the Russian Federation. Federal Law of the Russian Federation of November 23, 2009]. (Rus).
2. Energeticheskiye obsledovaniya i energeticheskiy audit. Informatsionnyy sbornik no. 2 [Energy audits and energy audits. Information Collection number 2]. Moscow: Gazprom, 2004. 198 p. (Rus).
3. Metodika otsenki energoeffektivnosti gazotransportnykh ob»yektov i system. STO Gazprom 2-3.5-1132007 [Methodology to evaluate the energy efficiency of gas transportation facilities and systems. Standard of Gazprom 2-3.5-113-2007]. M: Informatsionno-reklamnyy tsentr gazovoy promyshlennosti, 2007, 54 p. (Rus).
4. Nadezhnost' tekhnicheskikh system. Spravochnik [Reliability of Technical Systems. Handbook. Red. I.A. Ushakov. Moscow: Radio i svyaz', 1985, 608 p. (Rus).
АРМАТУРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФОРУМ Москва, КВЦ «Сокольники», 5-7 ноября 2013 г.
Мастерская по диагностике арматуры
ТЕМА: СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
Дата проведения:5 ноября 2013 г. , 14:00 - 17:00
Место проведения: Москва, КВЦ «Сокольники», Конференц-зал № 4
Организатор: ЗАО «Промышленный Форум»
Мастерская «Современные средства технического диагностирования трубопроводной арматуры»
предоставляет специалистам возможность оценить и обсудить как современные теоретические подходы к диагностированию арматуры, так и практические методы их реализации, сопоставить «за» и «против» подходов «по регламенту» и «по техническому состоянию», ознакомиться с практикой применения средств технической диагностики трубопроводной арматуры на атомных электростанциях. В частности изучить опыт ГК «Росатом», безусловного лидера внедрения систем технического диагностирования в России.
Оргкомитет Тел.: 8 (495) 924-555-0; [email protected]
