CC BY
20ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
УДК 622.691.4.052.012
А.Р. Галикеев, к.т.н., начальник Башкирского управления, ООО «Газпром газнадзор» (Уфа, Россия); C.B. Китаев, д.т.н., профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа», ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Уфа, Россия), e-mail: Svkitaev@maii.ru; А.Р. Гадельшина, аспирант кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа», ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Уфа, Россия)
Повышение роли газораспределительных станций при реализации ресурсосберегающих технологий в магистральном транспорте газа
Газовая промышленность является важной отраслью топливно-энергетического комплекса РФ, от которого зависит благосостояние страны в целом. На территории России построена и непрерывно функционирует разветвленная сеть магистральных и распределительных газопроводов с объектами транспорта, хранения и распределения газа. К объектам распределения относятся газораспределительные станции (ГРС), предназначенные для подачи газа населенным пунктам, промышленным предприятиям и другим потребителям в заданном объеме с определенным давлением, необходимой степенью очистки, одоризации и учетом количества газа.
Одной из приоритетных задач ПАО «Газпром» является совершенствование технологии реализации и использования газа, которая напрямую связана с энергоресурсосбережением.
Целью работы являлось повышение роли газораспределительных станций при реализации ресурсосберегающих технологий в магистральном транспорте газа за счет анализа и выбора приоритетных способов, применяемых на ГРС и с использованием ГРС при выработке газа на потребителя.
В работе на основе проведенного анализа существующих ГРС ПАО «Газпром», эксплуатируемых в системе газораспределения, показано, что они имеют большую наработку, при этом имеется потенциал реализации ресурсосберегающих мероприятий на ГРС и с их помощью при проведении ремонтных работ на линейных участках магистральных газопроводов.
Произведен анализ ГРС ООО «Газпром трансгаз Уфа» по приоритету возможного оснащения детандер-генераторными агрегатами (ДГА) для выработки электроэнергии. Получена математическая модель, позволяющая по температуре подогрева газа перед детандером и производительности определять мощность ДГА. Возможна интеграция полученной модели в систему автоматики ГРС, оснащенной ДГА.
Ключевые слова: газораспределительная станция, эксплуатация, газопровод, энергосбережение, ресурсосбережение, детандер-генераторный агрегат, моделирование характеристик.
A.R. Galikeyev, Ph.D., Head of Bashkir Management Gazprom gaznadzor LLC (Ufa, Russia); S.V. Kitayev, Doctor of Engineering, Professor of Oil and Gas Transportation and Storage Department, Ufa State Petroleum Technological University Federal State Educational Institution of Higher Professional Education (Ufa, Russia), e-mail: Svkitaev@mail.ru; A.R. Gadelshina, postgraduate of Oil and Gas Transportation and Storage Department, Ufa State Petroleum Technological University Federal State Educational Institution of Higher Professional Education (Ufa, Russia)
Enhancing the role of gas distribution plants in the implementation of energy-saving technologies in the gas main pipelines
The gas industry is an important sector of fuel and energy complex of the Russian Federation that has impact on the welfare of the country as a whole. Russia has and continuously operates an extensive network of main and distribution gas pipelines with gas transport, storage and distribution facilities.
Distribution facilities include gas distribution plants (GDP) for gas supply to the populated places, industrial enterprises and other consumers in a specified volume with a certain pressure, necessary degree of purification, odorization and considering the amount of gas.
One of the priorities of Gazprom PJSC is to improve the technology of gas sale and use directly related to energy saving. The purpose of this paper was to increase the role of gas distribution plants in the process of energy-saving technologies implementation for the mains gas transfer by the analysis and selection of priority methods used in the GDP and with GDP application for gas production to consumers.
28
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
GAS DISTRIBUTION PLANTS AND GAS SUPPLY SYSTEMS
On the basis of the analysis of the existing GDP of Gazprom PJSC, operated in gas distribution system, the work shows that they have great operating time, while there is potential for the implementation of energy-saving activities at GDP and with their help during repair works on the linear sections of main gas pipelines.
The analysis of Gazprom Transgaz Ufa LLC GDP for the priority of possible fitting with expander generator unit (EGU) to generate electricity was performed. A mathematical model allowing determination of the capacity of EGU by the temperature of gas heating upstream the expander input and the performance. The integration of the model obtained in GDP automatic system equipped with EGU is possible.
Keywords: gas distribution plant, operation, gas pipeline, energy saving, resource-saving, expander-generator unit, characteristics simulation.
В работе [1] приведены типовые мероприятия, позволяющие обеспечивать сохранение природного газа, расходуемого на собственные и технологические нужды компрессорных станций (КС). Важную роль при реализации ресурсосберегающих мероприятий в ряде случаев выполняют газораспределительные станции.
При проведении ремонтных работ на газопроводах перед отключением участков могут применяться следующие ресурсосберегающие мероприятия по сохранению природного газа:
• срабатывание природного газа с отключенных участков на потребителя до следующих давлений:
- для ГРС, оснащенных регуляторами «РДУ», - до давления, равного Рвых с ГРС + 2 кгс/см2;
- для ГРС, оборудованных регуляторами «Лорд», - до давления Рвх, равного 12 кгс/см2;
• перепуск газа в участки с меньшим давлением при последовательных работах на соседних участках;
• в случае отсутствия ГРС на отключенном участке - отключение соседних участков с ГРС и проведение общего срабатывания;
• срабатывание газа из контуров КС на блок-бокс собственных нужд (ББСН);
• при выводе участков МГ в ремонт -снижение давления газа в отключаемых участках магистральных газопроводов компрессорными станциями, расположенными по ходу газа, с последующей выработкой газа на ГРС до минимально возможного давления [2].
Энергосберегающий эффект при выработке газа достигается за счет того, что в отключаемом участке, на котором есть ГРС, запас газа, подлежащий стравливанию, используется для подачи потребителям.
Для оценки запаса газа, находящегося в отключаемом участке трубопровода, применяется следующая формула:
Время срабатывания газа потребителями:
Q.-Q.
К1
(2)
Q.=V ^ ,
1 геом П„ '
гО
(1)
где Vrеом - геометрический объем внутренней полости газопровода, м3; ^ - поправка на объемное расширение
гО
газа,
р0 - плотность газа при нормальных условиях (Р = 0,1013 МПа, Т = 273,15 К), кг/м3;
рср - осредненная плотность газа, кг/м3, определяется согласно [3].
где Qн. - запас газа в газопроводе на начало выработки, нм3; 0к. - запас газа в газопроводе на конец выработки, нм3;
q - среднее потребление газа на участке (максимальное потребление газа за последние 7 суток). Расчет запаса газа можно выполнить вручную либо на персональном компьютере в программе АРМ технолога-диспетчера.
Экономический эффект этого мероприятия составит:
Э=Q.Ц,
(3)
40
35
ss 30
s 75
m
>■
о. ^ 20
га
m
л 1Ь
I
ш
с 10
ai
1-
и 5
0
36,4
24,5
Ср.годовая
Максимальная
Рис. 1. Степень загрузки ГРС по данным за год
Fig. 1. The degree of GDP loading according to the data for the year
Ссылка для цитирования (for references):
Галикеев А.Р., Китаев C.B., Гадельшина А.Р. Повышение роли газораспределительных станций при реализации ресурсосберегающих технологий в магистральном транспорте газа // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 9. С. 28-32.
Galikeyev A.R., Kitayev S.V., Gadelshina A.R. Enhancing the role of gas distribution plants in the implementation of energy-saving technologies in the gas main pipelines (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 9. P. 28-32.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2015
29
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
и
Q.
О ш
I-
U
си т
с; о
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
и централизованная вахтовая надомная периодическая необслуживаемые
6,3 11,4 46,4 35,3 0,6
Рис. 2. Распределение ГРС по форме обслуживания Fig. 2. GDP distribution by the form of maintenance
где Q - запас газа в стравливаемом участке, отданный потребителю, м3; Ц - тариф на природный газ, руб./м3. В настоящее время газотранспортная система ПАО «Газпром» включает более 3800 ГРС различных типов с различными техническими характеристиками и формами обслуживания. На рисунке 1 проиллюстрирована степень загрузки ГРС по данным за год. На рисунке 2 приведена гистограмма распределения ГРС по форме обслуживания.
Как видно из рисунка 1, ГРС существенно недогружены по производительности в течение года. Основными формами обслуживания ГРС являются надомная и периодическая (рис. 2). На рисунке 3 приведена структурная диаграмма распределения ГРС по срокам эксплуатации.
Как следует из рисунка 3, значительная доля ГРС давних годов выпуска имеет существенную наработку, и для них могут применяться инновационные технологии, которые позволят сократить нерациональные потери газа, например внедрение безрасходных схем продувки фильтров и пылеуловителей. Энергосберегающий эффект при этом достигается за счет модернизации обвязки очистных устройств с емкостью сбора конденсата, и вместо сброса в атмосферу газ сбрасывается в выходной газопровод до узла замера расхода газа. В качестве инновационного мероприятия повышения энергоэффективности работы ГРС может быть рассмотрено
применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА) в узле редуцирования газа.
ДГА - это устройство для получения электроэнергии за счет работы, совершаемой расширяющимся магистральным природным газом. ДГА состоит из детандера,генератора, теплообменника, системы контроля и регулирования параметров процесса. В детандере энергия газового потока преобразуется в механическую работу, которая, в свою очередь, может быть преобразована в электрическую энергию в соединенном с детандером генераторе. Мощность, которую можно получить при использовании на ГРС турбоде-тандерных установок, определяется по формуле:
N=G.H .л .л .т| ,
ад 'т ln 'г '
(4)
где G - массовый расход газа через ГРС, кг/с;
35 и более лет
от 30 до 35 лет ^
от 25 до 30 лет >
~ X В
от 20 до 25 13%
от 5 до 10 лет 13%
от 15 до 20 лет 20%
от 10 до 15 лет 17%
Рис. 3. Диаграмма распределения ГРС по срокам эксплуатации
Fig. 3. GDP distribution diagram by the lifetime
Над - перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в турбодетандере, кДж/кг; г|т - внутренний КПД турбодетандера; т|п - КПД передачи от турбодетандера к нагрузочному устройству; т|г - КПД генератора. В качестве примера рассмотрим группу ГРС, эксплуатирующихся в ООО «Газпром трансгаз Уфа». В таблице приведены данные по крупным ГРС в количестве 19 шт. со среднегодовой производительностью 13,68-425,79 тыс. м3/ч, на которых целесообразна установка ДГА. Одним из основных потребителей природного газа в Республике Башкортостан является г. Уфа. Здесь расположены 3 из 19 выбранных объектов ГРС, которые в наибольшей степени подходят для внедрения ДГА. Так, ГРС «Но-во-Александровка», ГРС «Затон-2» и ГРС «Шакша», находящиеся на территории Уфимского района, располагают мощностями 6, 3 и 0,34 МВт соответственно. Предполагается, что выработанная на ДГА электроэнергия будет подаваться в общую энергосистему района. Следует отметить, что с точки зрения первоочередности внедрения ДГА энергетическая отрасль представляется наиболее перспективной. Для энергетических объектов характерны менее «провальные» графики потребления газа. К таким объектам относится ГРС «Карманово ГРЭС». Проведенные обследования показали, что установка ДГА только на ГРС «Карманово ГРЭС» позволит использовать безвозвратно теряющуюся энергию сжатого газа с установленной мощностью более 10 МВт и выработкой электроэнергии 80 млн кВт.ч/год, что позволит увеличить общую выработку электроэнергии ГРЭС почти на 1%.
При работе ДГА газ перед детандером должен быть подогрет до такой температуры, чтобы на выходе из детандера его температура была выше температуры точки росы газа. Таким образом, мощность турбодетандера зависит от количества газа, его температуры и перепада давлений. При эксплуатации ДГА на ГРС важен контроль параметров его работы. Контролируются прежде всего параметры, которые можно измерить непо-
30
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
GAS DISTRIBUTION PLANTS AND GAS SUPPLY SYSTEMS
средственно приборами, - температура, давление и расход перекачиваемого газа через ДГА.
На рисунке 4 приведена зависимость расхода газа от мощности ДГА при различных температурах подогрева газа перед детандером. Температура подогрева газа принята в соответствии с фактическими значениями перепада давления, при условии что минимальная температура газа на выходе детандера должна составлять около 0 °С. Производительность по газу соответствует диапазону среднегодовой производительности.
В процессе эксплуатации ДГА происходит колебание производительности из-за сезонных и суточных неравно-мерностей потребления газа. Параметры расхода контролируются штатной системой автоматики, по их значениям, используя диаграмму (рис. 4), определяется мощность ДГА. Использовать график не очень удобно, поэтому для разработки аналитической модели ^=^подогр, 0) предлагается применить метод асимптотических координат [1]. Суть метода заключается в следующем. Предположим, что имеется некоторая величина F, зависящая от двух параметров - р и ц. Пусть в условиях эксперимента задавались определенные значения параметра ц = ц2, ..., и определялась зависимость F от р при фиксированных ц. В том случае, когда вид полученных кривых в плоскости (р, Р) носит качественно сходный характер, часто удается подобрать специальные координаты, с помощью которых исследуемую сложную двумерную поверхность Р = Р(р, ц) удается описать с помощью нескольких простых плоских кривых. При этом семейство кривых в плоскости (р, Р), соответствующих различным значениям ц, «сжимается» в одну универсальную кривую. Поскольку вид этих координат устанавливается путем изучения качественного поведения кривых в некоторых характерных предельных случаях (Р=Р(0, ц) и Р=(<^, ц)), то их можно называть асимптотическими координатами. Построим аналитическую модель для характеристик, представленных на рисунке 4. Пусть в плоскости (N1, 0) имеется серия зависимостей на интер-
Таблица. Данные по крупным ГРС для установки ДГА Table. Data on major GDP for EGU unit
Диапазон располагаемых мощностей, кВт The range of available power, kW Количество ГРС в данном диапазоне Quantity of GDP in the range Суммарная располагаемая мощность ГРС данного диапазона The total available capacity of the GDP of given range
шт. pcs. в % к общему количеству % to the total quantity МВт MW в % к общей мощности % to the total power
300«N«600 10 53 4,1 10,5
600<N«1000 2 10 1,8 4,7
1000<N«2000 1 5 1,3 3,4
2000<N«5000 3 16 10 25,7
N>5000 3 16 21,7 55,7
Итого Total 19 100 38,9 100
Рис. 4. Зависимость расхода газа от мощности ДГА при различных температурах подогрева газа перед детандером
Fig. 4. Gas flow dependence on EGU power at different gas heating temperatures at the expander input
Рис. 5. Зависимость мощности ДГА (N) от температуры подогрева газа на входе в детандер (t^ ) при различных значениях расхода газа
Fig. 5. EGU power (N) dependence on the gas heating temperature at the expander input (th ), for different values of the gas flow
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2015
31
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
Рис. 6. Зависимость вспомогательной функции (f) от Q Fig. 6. Dependence of the auxiliary function (f) on Q
вале [20, 400]. Построим первоначально зависимость функции N от второго
параметра tno для двух предельных значений Q . и Q
min max
x. В резул ьтате будут получены функции: N=4)^^ , Qmin), N= Wt . Q ), показанные на рисунке 5.
~ * подог max' г J
Плоские кривые (рис. 5) описываются следующими эмпирическими зависимостями:
N(cp)=107,42.tnoj(or-1,8895; N(y)= =5,3693.t -Т03. (5)
подог * '
Прямой проверкой нетрудно убедиться, что если вместо функции N ввести новую вспомогательную функцию:
то видно, что функция обладает следующими свойствами: f=0 при Q=Qmin и f=1при Q=Q . Кривые в плоскости
~ max ~
(f, Q) достаточно плотно прилегают друг к другу (рис. 6).
Поэтому для вспомогательной функции f можно использовать приближенную зависимость вида:
f=-0,0026.Q+1,0526.
(7)
f=
N-N(9) 1%)-%) '
(6)
Коэффициенты полученной зависимости определялись методом наименьших квадратов по всему объему выборки.
Таким образом, искомую сложную двумерную поверхность в трехмерном пространстве удалось описать всего тремя
плоскими кривыми, изображенными на рисунках 5 и 6.
Подставляя уравнения (5), (7) в уравнение (6) и преобразуя его, получим следующую зависимость мощности (^ от температуры подогрева газа перед детандером (^о ) и производительности (0):
N=(-0,0026.0+1,0526). .((5,3693^ -0,03)-
\\ ' подогр ' '
-(107,42^ -1,8895))+
4 подогр ''
+(107,42^ -1,8895). (8)
подогр
Сопоставление исходных (графических) и расчетных (аналитических) данных показывает, что погрешность расчета по предлагаемой модели составляет в среднем 1,7%.
ВЫВОДЫ
1. Анализ существующих ГРС ПАО «Газпром», эксплуатируемых в системе газораспределения, показал, что они имеют большую наработку, при этом имеется потенциал реализации ресурсосберегающих мероприятий на ГРС и при проведении ремонтных работ на участках газопроводов.
2. Произведен анализ ГРС ООО «Газпром трансгаз Уфа» по приоритету возможного оснащения ДГА для выработки электроэнергии. Получена математическая модель, позволяющая по температуре подогрева газа перед детандером и производительности определять мощность ДГА. Возможна интеграция полученной модели в систему автоматики ГРС, оснащенной ДГА.
Литература:
1. Байков И.Р., Китаев С.В., Шаммазов И.А. Методы повышения энергетической эффективности трубопроводного транспорта природного газа. СПб.: Недра, 2008. 439 с.
2. Иванов Э.С., Китаев С.В. Ресурсосберегающая технология отключения участка магистрального газопровода в ремонт с выработкой газа компрессорной станцией на ГПА и потребителя через газораспределительную станцию // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 6. С. 32-37.
3. РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. М.: Изд-во стандартов, 1982. 333 с.
References:
1. Baikov I.R., Kitayev S.V., Shammazov I.A. Metody povyshenijajenergeticheskojjeffektivnosti truboprovodnogo transportaprirodnogogaza [Methods of energy efficiency improvement for pipeline transportation of natural gas]. Saint-Petersburg, Nedra Publ., 2008. 439 pp.
2. Ivanov E.S., Kitayev S.V. Resursosberegajushhaja tehnologija otkljuchenija uchastka magistral'nogo gazoprovoda v remont s vyrabotkoj gaza kompressornoj stanciej na GPA i potrebitelja cherez gazoraspredeLitel'nuju stanciju [Energy-saving technology of the main gas pipeline outage to repair with gas production by compressor station to EGU and to consumer through a gas distribution plant]. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 6. P. 32-37.
3. RD 50-213-80. Pravila izmerenija rashoda gazov izhidkostejstandartnymisuzhajushhimi ustrojstvami [Terms of gas and liquid flow measurement with standard orifice instruments]. Moscow, Standards Publishing House, 1982. 333 pp.
32
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
