CC BY
109
УДК 621.165
Н.А. Забелин, А.В. Лыков, В.А. Рассохин
ОЦЕНКА РАСПОЛАГАЕМОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ РОССИИ
N.A. Zabelin, A.V. Lykov, V.A. Rassokhin
CALCULATION OF AVAILABLE HEAT POWER OF SMOKE FUMES OF GASOCOMPRESSOR UNITS OF RUSSIA'S UNITED GAS TRANSMISSION SYSTEM
В статье рассмотрена структура парка газоперекачивающих агрегатов ОАО «ГАЗПРОМ». Произведена оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов газотурбинных установок.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ. ГАЗОТРАНСПОРТНАЯ СЕТЬ. ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ. УХОДЯЩИЕ ДЫМОВЫЕ ГАЗЫ. ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ.
In clause are viewed Gazprom's structure of fleet of gascompressor units. Heat power gascompressor units smoke fumes are estimated.
ENERGY SAVING. GAS PIPELINE. GASCOMPRESSOR UNITS. SMOKE FUMES. HEAT POWER.
ОАО «Газпром» — глобальная энергетическая компания. Основные направления деятельности ОАО «Газпром» — геологоразведка, добыча, транспортировка, хранение, переработка и реализация газа, газового конденсата и нефти, а также производство и сбыт тепло- и электроэнергии в России и за рубежом. ОАО «Газпром» принадлежат магистральные газопроводы, объединенные в Единую систему газоснабжения (ЕСГ) России.
ЕСГ России — крупнейшая в мире система транспортировки газа (рис. 1), уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя.
В состав ЕСГ входят 161,7 тыс. км магистральных газопроводов и отводов, 215 линейных компрессорных станций (КС), 6 комплексов по переработке газа и газового конденсата, 25 объектов подземного хранения газа.
Деятельность ОАО «Газпром» в области энергосбережения и экологии происходит в соответствии с требованиями действующего за-
конодательства РФ, а также внутренними документами.
Распоряжением Правительства России №1715-р от 13.11.2009 г была принята «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» [1]. В соответствии с этой стратегией одним из направлений развития газовой промышленности является развитие ЕСГ и ее расширение на восток России, усиление на этой основе интеграции регионов страны. При этом энергосбережение и энергоэффективность отнесены к одним из важнейших направлений.
В ОАО «Газпром» принят ряд нормативных документов в области энергосбережения, среди них — «Концепция энергосбережения и повышения энергоэффективности на период 2011— 2020 гг.» [2]. Основная задача, сформулированная в концепции, — это максимальная реализация потенциала энергосбережения во всех видах деятельности и, как следствие, снижение техногенной нагрузки на окружающую среду. Компания продолжает проведение НИОКР и внедрение инновационных технологий, которые могут дать значительный эффект экономии энергоресурсов на собственные нужды. Одно из основных на-
Рис. 1. Единая система газоснабжения России
правлений — утилизация тепла уходящих газов газотурбинных установок (ГТУ).
Обеспечение линейных КС и других объектов ЕСГ электроэнергией на собственные нужды — одна из актуальных задач ОАО «Газпром». Зачастую подвод линий электропередач к объектам ЕСГ трудно выполним и дорогостоящ из-за их удаленности от крупных электростанций и единой электрической сети.
Теплота уходящих газов ГТУ может быть использована в комбинированных газопаровых установках (ГПУ) для выработки электроэнергии. Полученная электроэнергия может использоваться как на собственные нужды КС, так и другими находящимися по близости промышленными и гражданскими объектами. Таким образов решаются сразу две важные задачи: утилизация тепла уходящих газов ГТУ и обеспечение КС электроэнергией на собственные нужды.
Для оценки возможности применения таких ГПУ в ЕСГ должны быть известны структура парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) ЕСГ России, использующих в качестве привода ГТУ. Кроме того, должны быть известны следующие характеристики ГТУ: мощность ГТУ; расход,
температура и располагаемая тепловая мощность уходящих газов.
Задачами данной статьи являются: анализ парка ГПА ОАО «Газпром» (по России), использующих в качестве привода ГТУ;
исследование характеристик ГПА (мощности ГТУ, расход и температура уходящих газов ГТУ);
общая оценка теоретической тепловой мощности уходящих газов ГТУ, которая может быть использована в ГПУ для выработки дополнительной электрической энергии турбиной малой мощности [3].
Состав, %, компрессорного парка ОАО «Газпром» по типу привода: газотурбинный — 87,2, электрический — 12,3, поршневой — 0,5. В структуре парка ГПА насчитывается до 58 типов ГПА с ГТУ [4], различающихся по следующим критериям: типу (стационарные, судовые, авиационные); изготовителю (отечественное и зарубежное производства); кинематической схеме; классу мощности; температуре уходящих газов за ГТУ.
Количество и характеристики ГПА с газотурбинным приводом представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика парка ГПА ОАО «Газпром»
ГПА ГТУ Количество агрегатов (шт.) Мощность, МВт Расход уходящих газов, кг/с Температура уходящих газов за ГТУ, °С
ГТК-10 ГТК-10 646 10 86 510
ГПА-Ц-16 НК-16СТ 618 16 103,1 412
ГПА-Ц-6,3 НК-12СТ 322 6 57,6 317
ГПУ-10 ДР-59Л 268 10 81,5 330
ГТ-6—750 ГТ-6—750 129 6 47,5 415
ГПА-16 Урал ПС-90ГП-2 121 16 58 540
ГТК-10И М8-3002 120 10 51,8 533
ГПА-Ц-16С ДГ-90 109 16 70 430
ГТ-750—6 ГТ-750—6 95 6 58,6 302
ГПУ-16 ДЖ-59Л2 92 16 97,6 358
ГПА-Ц-8 НК-14СТ-8 86 8 37,1 537
ГТН-6 ГТН-6 80 6 47,5 415
ГТН-16 ГТН-16 72 16 86,1 408
ГТК-25ИР М8-5002 72 22 114 345
ГТН-25 ГТН-25 43 28 150 428
ГПА-12Р Урал ПС-90ГП-1 34 12 48,2 540
ГТК-25И М8-5002 33 24 118 491
ГТК-10ИР М8-3002Я 30 10 52,1 353
ГПА-16МЖ ДЖ-59Л2 28 17 97,5 362
ГПА-Ц-18 НК-18СТ 27 18 101,2 460
ГПА-10 Урал ПС-90ГП-3 26 10 45,7 476
ГПА-12 Урал ПС-90ГП-1 25 12 48,2 540
PGT-10 PGT-10 24 10 42,3 472
ГТНР-25И(В) М 5322 Я (В) 24 22 114 345
Коберра-182 АУ0К-101 23 13 77,6 411
ГПА-16МГ ДГ-90 21 16 70 430
Центавр Т-3002 Центавр Т-3002 20 3 16,5 410
ГПА-25 Днепр ДН-80Л1 18 25 87 450
ГПА-16Р АЛ АЛ-31СТ 16 16 64,5 490
ГПА-4 РМ ГТД-4РМ 15 4 22 386
Центавр Т-4500 Центавр Т-4500 12 3 18,2 450
Коберра 16МГ ДГ-90П1 12 16 70 430
ГПА-16 Волга ДГ ДГ-902.1 11 16 70 430
ГПА-16Р Урал ПС-90ГП-2 10 16 58 540
ГПА-Ц-10 НК-14СТ-10 9 10 37.6 507
ГПА-Ц-16 АЛ АЛ-31СТ 8 16 64.5 490
Окончание табл.1
ГПА ГТУ Количество агрегатов (шт.) Мощность, МВт Расход уходящих газов, кг/с Температура уходящих газов за ГТУ, °С
Центавр Т-4700 Центавр Т-4700 7 3 18.5 450
ГПА-Ц-25 НК-36СТ 7 25 101 425
ГТК-5 ГТК-5 6 4 45.5 283
ГПА-16 Нева АЛ-31СТН 6 16 64.5 490
ГТНР-25И(С) М8-5322ЩС) 6 25 119.3 349
Балтика-25 GT10B2 6 25 78.6 543
ГПА-25ДН Урал ДН80Л1.1 6 25 87 450
Дон ГТ-750—6 5 6 58.6 265
ПЖТ-21С АЛ-31 5 16 66.3 490
ГПА-25Р НК НК-36СТ 5 25 101 425
Таурус-608 Таигш 60С 4 5 21.7 490
ГПА-16 Волга НК-38СТ 4 16 53.7 448
ГТН-25—1 ГТН-25 4 25 102.2 500
ГТНР-16 ГТНР-16 3 16 91.5 327
ГПА-Ц-25СД ДУ80Л1 3 25 101 425
ГПА-Ц-4 Д-336—2-4 2 4 27.5 407
ГТ-700—5 ГТ-700—5 2 4 45.5 283
ГПА-10 РМ ГТД-10РМ 2 10 33 518
ГПА-Ц-16Р НК38 НК-38СТ 2 16 53.7 448
ГПА-25Р Урал ПС-90ГП-25 2 25 83 543
ГПА-4 Урал Д-30 1 4 18.9 439
ГПА-Ц-6,3РМ ГТД-6,3РМ 1 6 21.75 430
тепловой мощности уходящих дымовых газов. В основу расчетов тепловой мощности положена формула
Ог = ( -\хг )2 .
где Ог — расход дымовых газов; Н4 — энтальпия дымовых газов на выходе из ГТУ; кухг — энтальпия дымовых газов на выходе из теплообменника (ТО); 2 — количество ГТУ.
Для пояснения производимых расчетов на рис. 3 представлена упрощенная тепловая схема комбинированной ГПУ с котлом-утилизатором (КУ) и паровой турбиной (ПТ).
Выхлопные газы после ГТУ с температурой ^ и энтальпией к4 поступают в КУ, где они отдают свою теплоту теплоносителю второго контура.
Количество ГПА с газотурбинным приводом, как следует из табл. 1, составляет 3388 агрегатов.
По данным табл. 1 составлено распределение количества 2 ГТУ в зависимости от их типа, которое представлено на рис. 2.
Построенное распределение количества 2 ГТУ в зависимости от типа ГТУ показало, что широкое использование для привода ГПА получили следующие ГТУ: ГТК-10 (646 шт.); НК-16СТ (618 шт.); НК-12СТ (322 шт.); ДР-59Л(268 шт.). Из распределения следует, что для ГПА с газотурбинным приводом используются в основном ГТУ отечественного производства.
Далее на основе проведенного анализа структуры ГПА производится оценка располагаемой
Тип ГТУ
ГТД-6.3РЫ р
ПС-Ш25
нтет ПД-ЮРМ ГТ-7Щ д-ззе-г-4
ДШ1 ПНР-16 ГТН-25
нмет
Таурус НК-Э6СТ
т
ГТ-75М ДНШ11.1 СТШ2
АЛ-31СТН ПК-5 Н(ЖТ Цйттаар Т-47М АП-11СТ НК-МСТ-1Л ПС-90Ш-2 ДГ-ЭС'2.1 ДГ-90П1 Центавр Т-4500 ГГД-4РМ Ш1СТ
цшш
ЦектаирШ2 ДГ-ЭО
лдамм
М5322ВД РСТ-10 (Х-90Ш-1
пс-эогп-з
НС-ИСТ ДЖ-59Л2
и&зря
МЭ-5002 ПС-90ГП-1 ГТН-25 МШ02
пн«'"
ГШ НК-14СЙ ДЖ-5ЭЛ2 ГГ-75И ДГ-М М5-3002 ПС-90Щ-2 ГТ-6-750 ДР-59Л
ннхт НИ6СТ ГТК-ТО
=а72
ИМ
-120 ■ (21
т
а 322
«Ш 646
2, шт.
100
250
300
350
Рис. 2. Распределение количества 2 ГТУ в зависимости от типа ГТУ
Рис. 3. Тепловая схема комбинированной ГПУ с КУ: Вх. ус. и Вых. ус. — входное и выходное устройства; К — компрессор; КС — камера сгорания; КТ — компрессорная турбина; СТ — силовая турбина; Н — нагнетатель; КУ — котел-утилизатор; ПТ — паровая турбина; Г — электрический генератор; Кн — конденсатор; ПН — питательный
насос
Пар теплоносителя второго контура после КУ направляется в ПТ, которая приводит в действие электрогенератор. После КУ дымовые газы направляются в окружающую среду с температурой
tухт и энтальпией Иукг
При оценке располагаемой тепловой мощности величина температуры выхлопных газов ¿ухг на выходе из КУ была принята равной 110 С. Значения температуры ¿4, в зависимости от типа ГТУ, определялись по таблицам удельных выбросов загрязняющих веществ, которые представлены в СТО Газпром ХХХ-2008 [5]. Значения энтальпий выхлопных газов к4 = й4(^4) и кухг = Аух г(^ух г) определялись по таблицам те-плофизических свойств продуктов сгорания стандартного углеводородного топлива при заданном коэффициенте избытка воздуха в камере сгорания а = 3 [6, 7].
В результате проведенных расчетов было получено распределение располагаемой тепловой
мощности в зависимости от типа ГТУ (ГПА), которое представлено на рис. 4.
Распределение количества ГТУ в зависимости от класса мощности, а также располагаемая мощность дымовых газов в зависимости от класса мощности ГТУ представлены в табл. 2.
В результате проведенных расчетов суммарная величина располагаемой тепловой мощности уходящих газов всех рассмотренных ГТУ составила 87,9 ГВт.
В процессе исследований была подробно проанализирована структура парка ГПА ОАО «Газпром» по типу и количеству ГТУ. Установлено, что наиболее широкое использование для привода ГПА получили следующие ГТУ: ГТК-10 (646 шт.); НК-16СТ (618 шт.); НК-12СТ (322 шт.); ДР-59Л (268 шт.).
Также была проведена оценка суммарной величины располагаемой тепловой мощности
Таблица 2
Класса мощности ГТУ, МВт Количество ГТУ, штук Располагаемая тепловая мощность дымовых газов ГТУ, МВт
до 5 МВт 65 421
5-10 МВт 1701 39829
10-15 МВт 204 4702
15-20 МВт 1189 35108
20 МВт и более 229 7809
Тип ГТУ
д-зо ГТД-Б.ЭРМ ГТ-701>5 Д-33 5-2-4 ГТД-10РМ Тауру^ НК-ЗВСТ Центавр Т-4700 ГТ-730-б ГТК-5 ПЙр-16 ПС-ЭОГП-25
нк-ззст
Центавр 7-41*00 ГТД-4РМ ДУЙОЛ 1 Центавр Т-ЗООД АЛ-Э1
кг,-ист-10 ЛЛ-31СТН НК-315СТ ГП+2Е
днаош.1
№31СТ
нк-эвст ДГ-902.1 ПС-ООГП-^ ДГ-90П1 РБТ-10
АЛ-Э1СТ ПС-90ГП-3 ДГ-90 ПС-90ГП-1 ДН-30/11 АУОМ-1 0 1 М 5322 Р I В■ ДЖ-5ЭЛ2 поэогп-1
НК-13СТ ГТ-750-й ГТН-6 НК-14СТ-В
гле-эшг гтн-16
ГТ-0-750 М 5-50132 ГТН-25 дж-5эП2 дг-эо М5-Э002-ПС-ЭОГП-2 НИ-12СТ ДР-59Л
нк-1бсч
ГТК-10
120541
231364
От, МВт
2000
4000
йооо
2000а
22000
24000
Рис. 4. Распределение располагаемой тепловой мощности в зависимости от типа ГТУ (ГПА)
уходящих газов всех рассмотренных ГТУ ЕСГ России, которая составила 87,9 ГВт. На основе этой оценки можно сделать вывод, что в ЕСГ
России имеются значительные возможности в области энергосбережения и повышения энергоэффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Министерство энергетики Российской Федерации [Электрон. ресурс] // Режим доступа: http:// minenergo.gov.ru/activity/energostrategy.
2. Концепция энергосбережения и повышения энергоэффективности на период 2011—2020 гг. [Электрон. ресурс]// Режим доступа: http://www.gazprom. ru/nature/energy.
3. Беседин, С.Н Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной. [Текст]/ Беседин С.Н., Забелин Н.А., Рассохин В.А. и др. // Наука и техника в газовой промышленности.— 2010. № 4.— С. 96—103.
4. Каталог газотурбинного оборудования: каталог энергетического оборудования [Текст]. Том 1.— М.:
Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2011.— 392 с.
5. СТО Газпром ХХХ-2008. Технические нормативы выбросов. Газоперекачивающие агрегаты ОАО «Газпром» [Текст].— М., 2008.
6. Арсеньев, Л.В. Газотурбинные установки. Конструкции и расчет [Текст]: справочное пособие / Л.В. Арсеньев, Ф.Д. Бедчер, И.А. Богов [и др.].— Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.— 232 с., ил.
7. Костюк, А.Г. Паровые и газовые турбины для электростанций [Текст]: учебник для вузов / А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Д. Трухний [и др.] / Под ред. А.Г Костюка.— М.: Издательский дом МЭИ, 2008.— 556 с., ил.
REFERENCES
1. Ministerstvo energetiki Rossiiskoi Federatsii [Elektron. resurs] // Rezhiinenergo.gov.ru/activity/ener-gostrategy rezhim dostupa: http://minenergo.gov.ru/activ-ity/energostrategy. (rus.)
2. Kontseptsiia energosberezheniia i povysheniia en-ergoeffektivnosti na period 2011—2020 gg. [Elektron. resurs]// Rezhim dostupa: http://www.gazprom.ru/na-ture/energy. (rus.)
3. Besedin, S.N Zabelin N.A., Rassokhin V.A. [i dr.]. Razrabotka i sozdanie avtonomnykh energeticheskikh ustanovok maloi moshchnosti s rasshiritel'noi turbinoi [Tekst] // Nauka i tekhnika v gazovoi promyshlennosti.— 2010. № 4.— S. 96-103. (rus.)
4. Katalog gazoturbinnogo oborudovaniia [Tekst]:
katalog energeticheskogo oborudovaniia T. 1.— M.: zdatel'skii dom «Gazoturbinnye tekhnologii», 2011.— 392 c. (rus.)
5. STO Gazprom ХХХ-2008. Tekhnicheskie norma-tivy vybrosov. Gazoperekachivaiushchie agregaty OAO «Gazprom» [Tekst].— M., 2008.
6. Arsen'ev L.V. Bedcher F.D., Bogov I.A. [i dr.].
Gazoturbinnye ustanovki. Konstruktsii i raschet [Tekst]: spravochnoe posobie.— L.: Mashinostroenie. Leningr. otd-nie, 1978.— 232 s., il. (rus.)
7. Kostiuk A.G., Frolov V.V., Trukhnii A.D. [i dr.].
Parovye i gazovye turbiny dlia elektrostantsii [Tekst]: uchebnik dlia vuzov / Pod red. A.G. Kostiuka.— M.: Izdatel'skii dom MEI, 2008.— 556 s., il. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ЗАБЕЛИН Николай Алексеевич — кандидат технических наук доцент директор Института энергетики и транспортных систем Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
ЛЫКОВ Алексей Викторович — аспирант Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
РАССОХИН Виктор Александрович — доктор технических наук профессор заведующий кафедрой турбин, гидромашин и авиационных двигателей Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
AUTHORS
ZABELIN Nikolay A. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
LYKOV Alexsey V. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
RASSOKHIN Victor A. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
