CC BY
43
УДК 662.614.42
Оценка потенциала тепловых вторичных энергоресурсов газотранспортной системы
Р. А. Молчанова,
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», кандидат технических наук, доцент
А. Р. Гатауллина,
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», преподаватель
Газотурбинные установки обладают огромным потенциалом энергосбережения, который необходимо учитывать при составлении топливно-энергетического баланса предприятий. Рациональное и полное использование теплоты отходящих газов газотурбинных установок - одно из перспективных направлений развития энергоэффективных технологий трубопроводного транспорта.
Ключевые слова: энергосбережение, вторичные энергоресурсы, газотурбинная установка, компрессорная станция, транспорт газа.
Газовая промышленность является одним из самых крупных потребителей энергии с большим потенциалом энергосбережения. Рост объёмов добычи сопровождается повышением расхода топливного газа и увеличением выхода вторичных энергоресурсов при транспортировке [1]. Актуальными задачами сегодня становятся выявление источников вторичных энергоресурсов в газотранспортной системе, оценка их валового, технического и экономического потенциала и разработка энергетического баланса предприятия с учётом их использования.
В мировой практике транспортировки газа наибольшее распространение получили компрессорные станции с газотурбинными установками. Одна из особенностей газотурбинных установок заключается в больших потерях теплоты, образующейся в камере сгорания, когда в окружающую среду попадают продукты сгорания с температурой 400-500 0С [2].
Средний КПД существующего парка газовых турбин на компрессорных станциях не превышает 24-27 %, причём действительный КПД изношенных
Таблица 1
Потенциал тепловых вторичных энергоресурсов газотурбинных установок
Потенциал вторичных энергоресурсов
Методика определения
Значение
Энергетический
потенциал
энергоносителя
Энтальпия уходящих газов ГТУ, Дж/кг
Ъ, Дж/кг
Удельный валовый
Поток полезно используемой теплоты вторичных ресурсов за расчётный период - часть теплоты, которая может быть получена в котле-утилизаторе:
'1 Л
ЭР=£ух 'ПкУ=М
Qвэp, МВт
--1
Л у
Л*
Валовый
Теплота уходящих газов ГТУ, которая может быть получена в котле-утилизаторе за время нахождения ГТУ в работе:
-1-1
•Пку-^'7;
QВэp, ГДж
Планируемый технический
В общем случае эквивалентен валовому. Количество энергии, которое возможно получить в течение рассматриваемого периода при работе существующих утилизационных установок на действующих компрессорных станциях:
QВBэp, ГДж
Фактический технический
Количество энергии, полученное за рассматриваемый период
Фактическая выработка тепловой энергии котлами-утилизаторами по отчётным данным предприятия
Экономический
Количество энергии, получение которой из данного вида ресурса экономически целесообразно
0ВЭР, ГДж
и морально устаревших агрегатов значительно ниже. Более 70 % располагаемой мощности агрегатов теряется с выхлопными газами. Современные газоперекачивающие агрегаты имеют КПД, достигающий 35,7-38,7 %; наибольший КПД - у ГПА-25 «Урал» с двигателем ПС-90ГП [3].
В табл. 1 представлен потенциал вторичных тепловых энергоресурсов газотурбинных установок в различных его аспектах, а также основы методов определения потенциала.
Газоперекачивающие агрегаты, применяемые для компримирования газа на компрессорных станциях, делятся по типу привода на три основных группы: газотурбинные установки, электроприводные агрегаты и газомотокомпрессорные установки [2]. Структура парка газоперекачивающих агрегатов по установленной мощности представлена на рис. 1.
Рис. 1. Распределение парка газоперекачивающих агрегатов страны по установленной мощности
топливным
газ 2
1
воздух
теплоноситель
>ЛЛЛ-
продукты сгорания
-* ^ 'ух
5
Рис. 2. Тепловая схема газоперекачивающего агрегата с утилизационным теплообменным аппаратом:
1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина;4 — нагнетатель; 5 — утилизационный теплообменник
На основе анализа структуры газоперекачивающих агрегатов проведён анализ потенциала вторичных тепловых ресурсов газотурбинных установок, используемых в отечественной газотранспортной системе. Для исследования выбрана тепловая схема с утилизационным теплообменным аппаратом (рис. 2).
Уходящие газы после ГТУ поступают в утилизационный теплообменник с температурой 12 и отдают свою теплоту теплоносителю. Далее дымовые газы направляются в окружающую среду с температурой 1ух. Удельный валовый потенциал вторичных тепловых ресурсов, МВт, оценивается как часть теплоты уходящих газов, которая может быть получена в утилизационном теплообменнике:
(1)
где ^ку - КПД котла-утилизатора;
Qух - поток теплоты уходящих газов ГТУ, МВт; N - установленная мощность ГТУ, МВт; ^ - средневзвешенный КПД ГТУ.
Валовый потенциал вторичных тепловых ресурсов ГТУ, ГДж, оценивается по формуле
вв ЭР =3,6-^
—-1|-л КУ-г-к-гк:
(2)
где N2 - установленная мощность ГТУ, МВт;
% - средневзвешенный КПД ГТУ;
Z - относительное время нахождения ГТУ в работе;
3,6 - коэффициент перевода времени из часов в секунды и количества теплоты из МДж в ГДж;
Тк - продолжительность календарного года, ч;
К - средняя годовая загрузка ГТУ по мощности.
Магистральные газопроводы выполняются, как правило, многониточными с компрессорными станциями, объединяющими несколько компрессорных цехов. Количество и тип ГТУ компрессорного цеха определяются производительностью и режимами работы газопровода с учётом резерва. Мощность резервных ГТУ достигает 20-30 % от установленной мощности цеха.
В табл. 2 представлены возможные варианты компоновки оборудования компрессорного цеха [4].
Потенциал тепловых вторичных энергоресурсов уходящих газов ГТУ для приведённых выше вариантов компоновок оборудования представлен в табл. 3. Значения температуры уходящих газов в зависимости от типа ГТУ и расход продуктов сгорания определялись по таблицам удельных выбросов загрязняющих веществ [5].
Наибольшим потенциалом из представленных компоновок оборудования обладает вариант № 3 -цех с семью агрегатами ГТК-10И, два из которых резервные. Это связано с наиболее высокой температурой уходящих газов за ГТУ и, соответственно, большим потоком полезно используемой теплоты вторичных ресурсов в утилизационном теплообменнике.
3
4
Таблица 2
Возможные варианты устанавливаемого в компрессорном цехе оборудования
№ Тип газотурбинной установки Давление сжатого газа, МПа Количество установленных ГТУ/установленная мощность, МВт Количество рабочих ГТУ/рабочая мощность, МВт Количество резервных ГТУ/резервная мощность, МВт
1 ГПА-Ц-6,3 5,6 6/36 4/24 2/12
2 ГПУ-10 7,6 7/70 5/50 2/20
3 ГТК-10И 7,6 7/70 5/50 2/20
4 ГПА-Ц-16 7,6 5/80 3/48 2/32
5 ГПУ-16 7,6 5/80 3/48 2/32
Таблица 3
Результаты расчёта потенциалов вторичных тепловых ресурсов ГТУ для возможных вариантов установки оборудования
№ п/п Тип ГТУ Установленная мощность, МВт Количество установленных ГТУ, основных/резервных Расход уходящих газов, кг/с Температура уходящих газов за ГТУ, 0С КПД котла-утилизатора Коэффициент загрузки К Удельный валовый потенциал тепловых вторичных ресурсов, МВт Валовый потенциал тепловых вторичных ресурсов ГТУ, тыс. ГДж
1 ГПА-Ц-6,3 36 4/2 57,6 317 0,65 0,7 74,4 583,1
2 ГПУ-10 70 5/2 81,5 330 0,67 0,7 120,0 1007,2
3 ГТК-10И 70 5/2 51,8 533 0,79 0,7 158,1 1327,1
4 ГПА-Ц-16 80 3/2 103,1 412 0,73 0,6 150,8 1063,1
5 ГПУ-16 80 3/2 97,6 358 0,69 0,6 135,7 956,6
Мероприятия, направленные на использование тепловых вторичных ресурсов ГТУ, не изменяют расходную часть топливно-энергетического баланса, но обеспечивают экономию некоторой части потребности в тепловой энергии, в результате чего сокращается потребление топлива от источника топливоснабжения.
Расход природного газа для выработки в котельной тепловой энергии, равной теплоте, выработанной в утилизационных установках ГТУ, нм3/ч [6], рассчитывается как
сти ГТУ и увеличение удельного расхода топливного газа. Снижение мощности газовой турбины, а следовательно, и ГТУ в целом из-за увеличения противодавления за турбиной низкого давления составит, Вт [1]:
(4)
В =
3600-£>в:
(3)
П -О"
1КОТ 2-Н
где В - расход природного газа, нм3/ч; Qвэp - поток полезно используемой теплоты вторичных ресурсов (удельный валовый потенциал), Вт;
^кот - средний КПД выработки тепловой энергии в котельной;
QH - низшая теплота сгорания топлива, Дж/м3.
Утилизация теплоты уходящих газов всегда приводит к увеличению сопротивления выхлопного тракта, что влечёт снижение располагаемой мощно-
где АИе -величина потерянной мощности ГТУ из-за установки теплоутилизационных устройств, Вт;
V - расход продуктов сгорания на выходе из газовой турбины, м3/с;
Ар - величина гидравлических сопротивлений утилизационных установок, Па; - внутренний относительный КПД газовой турбины.
Увеличение расхода газа за счёт работы теплоутилизационных установок, нм3/ч:
Таким образом, экономия природного газа при использовании вторичных ресурсов для выработки тепловой энергии, нм3/ч, рассчитывается по формуле
ШНЕРГШРЕтУРСШСБЕШШЕтИЕШшэНЕРШшэФФЕшаштишЬ 25
ЭЧ=В-АВ.
(6)
Годовая экономия природного газа при использовании вторичных ресурсов для выработки тепловой энергии, нм3/год:
(7)
Чтобы оценить экономию топливного газа при полезном использовании потенциала теплоты уходящих газов ГТУ, приняты следующие условия: КПД котельных ^кот = 0,9, QP = 33,43 МДж/м3, Ар = 1000 Па, = 0,87. Экономия топливного газа для вариантов компоновок компрессорного цеха, используемых при расчёте потенциала тепловых вторичных ресурсов ГТУ ранее, представлена в табл. 4.
утилизации. Потенциал энергосбережения газотурбинных установок необходимо учитывать при составлении топливно-энергетического баланса предприятия, который отражается в энергетическом паспорте.
С целью рационального использования вторичных тепловых ресурсов газотурбинных установок возможно применение утилизационных установок для отопления и горячего водоснабжения помещений компрессорной станции и сторонних потребителей, использование регенеративных газоперекачивающих агрегатов, безрегенеративных газотурбинных установок с глубокой утилизацией теплоты отходящих газов или парогазотурбинных установок для получения пара и выработки энергии в паровой турбине. Сегодня широкое использование вторичных ресурсов тепла сдерживается отсутствием крупных
Таблица 4
Результаты расчёта экономии топливного газа при использовании потенциала тепловых ресурсов уходящих газов ГТУ для возможных компоновок оборудования
№ п/п Тип газотурбинной установки КПД, % Установленная мощность, МВт Количество установленных ГТУ, основных/резервных Удельный выход вторичных энергоресурсов, МВт Перерасход газа, м3/ч Расход газа на выработку теплоты, м3/ч Экономия топливного газа, м3/ч Годовая экономия топливного газа при утилизации теплоты вторичных энергоресурсов, млн м3/год
1 ГПА-Ц-6,3 24 36 4/2 74 238 8 907 8 669 18,9
2 ГПУ-10 28 70 5/2 120 329 14 358 14 030 32,7
3 ГТК-10И 26 70 5/2 158 0 18 919 18 919 44,1
4 ГПА-Ц-16 28 80 3/2 151 338 18 043 17 705 34,7
5 ГПУ-16 29 80 3/2 136 285 16 235 15 950 31,2
Итак, на современных компрессорных станциях имеется огромный потенциал тепловых энергетических ресурсов в виде теплоты отходящих газов ГТУ и резерв экономии природного газа при его полезной
потребителей в непосредственной близости от компрессорных станций и недостаточным количеством специализированного утилизационного оборудования.
Литература
1. Поршаков Б. П., Лопатин А. С. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций. - М.: Недра, 1992. - 208 с.
2. Козаченко А. Н., Никишин В. Н., Поршаков Б. П. Энергетика трубопроводного транспорта газов. - М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2001. - 400 с.
3. Гаррис Н. А., Колоколова Н. А. Основные направления ресурсо-энергосбережения при транспорте газа / / Нефтегазовое дело. - 2009. - № 1. - С. 81-85.
4. Юращик И. Л. Утилизация тепла уходящих газов ГТУ / / Газовая промышленность. - 1980. - № 7. -С. 36-38.
5. СТО Газпром 2-1.19-332-2009. Технические нормативы выбросов. Газоперекачивающие агрегаты ОАО «Газпром». - М., 2009. - 33 с.
6. Соловьев Ю. П. Проектирование крупных центральных котельных для комплекса тепловых потребителей. - М.: Энергия, 1976. - 192 с.
y. ulartia mCJ antim MMUM; is M s §y; iMartsi; □ AMM MS IB iitwia
Secondary energy sources potential of gas turbine installations on fuel transport systems R. А. Molchanova,
Ufa State Petroleum Technological University, PhD, associate professor А. R. GataullÏM,
Ufa State Petroleum Technological University, lecturer
Gas turbine installations have significant potential of secondary energy sources and energy efficiency. It should be counted in fuel-energy balances processing. Full and reasonable usage of waste gas heat in gas turbine installations is one of the most current ways to improve energy efficiency of fuel transport technologies.
Keywords: energy savings, secondary energy sources, gas turbine installation, compressor station, fuel transport.
ЭНЕРГCEЕЗCПАСН<CСТbMЭНЕРГ<CСEЕРЕXЕНMЕ / www.endi.ru
№2 (62)2015, MapT-aipern,
