CC BY
150ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
УДК 622.691.4
С.С. Зацепин1; С.М. Купцов2, e-mail: [email protected]
1 ООО «Газпром трансгаз Москва» (Москва, Россия).
2 ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Применение турбодетандерных установок на газораспределительных станциях
В статье затронута актуальная проблема использования вторичных энергоресурсов в системе транспорта и распределения природного газа. Избыточное давление газа как основной компонент вторичных энергоресурсов по технологическим процессам практически не используется на газораспределительных станциях (ГРС), где применяются дроссельные устройства. Предложение использовать избыточное давление газа в турбодетандерах как на ГРС, так и на компрессорных станциях магистральных газопроводов до сих пор не нашло широкого применения. Перспектива замены дроссельных устройств турбодетандерными установками (ТДУ) будет определяться энергетической и экономической эффективностью.
Объектом исследования является система, в которой происходит снижение давления природного газа с обязательным подогревом для предотвращения гидратообразования. При дросселировании происходят только затраты энергии на сжигание части газа для подогрева основного потока. В ТДУ осуществляется полезная работа, но также требуется сжигание большего количества газа.
Энергетическая эффективность работы турбодетандера определялась в результате термодинамических расчетов изобарного нагрева и последующего дроссельного и адиабатного расширения. Расчеты свидетельствуют об отрицательном балансе энергии в случае использования турбодетандеров для выработки электроэнергии на собственные нужды применительно к подогреву газа на ГРС. Замена редуцирующих устройств ГРС на турбоде-тандеры энергетически малоэффективна. Однако сам факт, что при выработке электроэнергии на ГРС системой «подогреватель - турбодетандер» КПД такой системы значительно выше коэффициента полезного действия современных газотурбинных установок, предполагает поиски других вариантов использования ТДУ. Показано, что перспективным вариантом использования ТДУ является выработка энергии при двухступенчатом расширении раза с промежуточным подогревом за счет посторонних источников или теплоты газа перед ГРС.
Ключевые слова: газораспределительная станция, дросселирование, турбодетандер, температура.
S.S. Zatsepin1; S.M. Kuptsov2, e-mail: [email protected]
1 Gazprom transgaz Moscow LLC (Moscow, Russia).
2 Federal State Educational Institution of Higher Education «Russian State University of Oil and Gas (National Research University) named after I.M. Gubkin (Moscow, Russia).
The Use Of Turbo-Expander Units On Gas-Distributing Stations
The article describes an actual problem of using of secondary energy resources in the system of transport and distribution of natural gas. An excessive gas pressure as the main component of secondary energy resources in technological processes is almost never used at gas-distributing stations (GDS), where the throttling devices are used. The suggestion of using a gas overpressure in turboexpanders both at GCU and at compressor stations of trunk gas pipelines is still not found a wide application. The opportunity of replacing turbo-expander devices (TED) instead of the throttle devices units will be determined by the energy and economic efficiency.
The research object is the system in which the natural gas pressure reduction occurs with a mandatory heating to prevent a hydrate formation. While throttling there are only the expenses of burning a part of gas to heat a main thread. In TED a useful work is performed, but a burning of great amounts of gas is also required.
The energy efficiency of the turboexpander was determined by thermodynamic calculations of isobaric heating and subsequent throttle and adiabatic extension. The calculations show a negative energy balance in the case of turbo expanders using to generate electricity for their own needs in relation to the gas heating at GDS. The substitution of reducing GDS devices for turbo expanders is energy-inefficient. However, the fact that the electricity producing on the
50
№ 12 декабрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
GDS by the system «heater - turboexpander» the efficiency of a such system is much higher than the efficiency of modern gas turbines, means the search for other options for the use of TED. It is shown that a promising TED usage is an energy production in two-stage extension with the middle heating due to outside sources or heating of the gas before the GDS.
Keywords: gas distribution station, throttling, turboexpander, temperature.
Рис. 1. Расчетная схема редуцирования дросселирующим устройством:
1 - ГРС; 2 - подогреватель; 3 - дроссель
Fig. 1 A calculated scheme of the reduction of throttling device:
1 - GDS; 2 - heater; 3 - throttle
Одним из пунктов реализации Программы энергосбережения в рамках эксплуатации газотранспортной системы (ГТС) является внедрение турбодетандерных установок на объектах ГТС [1]. В типовые энергосберегающие технологии [2] включена технология применения детандер-генераторных агрегатов для выработки электроэнергии на ГРС при дросселировании природного газа, что позволит вырабатывать электроэнергию для собственных нужд на бестопливной основе.
Однако, если внедрить такую технологию, расход природного газа на ГРС значительно возрастет. Поэтому в научных кругах и в эксплуатирующих организациях не утихают споры об эффективности и целесообразности замены дросселирующих устройств на ТДУ на ГРС.
Целью данной статьи является исследование рациональных способов применения ТДУ при замене дроссельных устройств на ГРС.
С точки зрения энергосбережения в газотранспортной системе на сегодняшний день весьма перспективной является утилизация энергии избыточного давления природного газа в турбодетандере как один из способов использования вторичных энергоресурсов. Турбодетандером называется утилизационная, т. е. не потребляющая топлива, расширительная турбина, механически связанная с потребителем ее мощности, например электрогенератором, компрессором и т. п. На ГРС природный газ после дроссельных клапанов охлаждается, в основном до низких температур, и для предотвращения гидратообразования его подогревают за счет частичного сжигания поступающего газа или элек-
троподогрева. В процессе расширения газа на ГРС энергия потребляется для восстановления его температуры после охлаждения в результате этого расширения.
Восстановление этой энергии на ГРС возможно путем замены дроссельных клапанов турбодетандером, что позволяет генерировать электричество или произвести другую полезную работу. Однако следует отметить, что при этом часть этой энергии должна быть затрачена на подогрев газа. Необходимо, чтобы температура газа за турбиной составляла не менее 5 °С (для предотвращения гидратообразования), но не более 40 °С (для надежной работы теплоизоляционного и антикоррозийного покрытий газопровода). Подогрев газа повышает его внутреннюю энергию и, тем самым, мощность и КПД турбоде-тандера. Подогрев газа перед турбодетандером от 0 до 80 °С повышает мощность турбодетандера на 30-35 % [3]. Мощность турбодетандера зависит от расхода газа, его начальной температуры и перепада давлений. Рациональность использования ТДУ определяется, в первую очередь, энергетической и экономической эф-
фективностью. Для определения энергетической эффективности работы турбодетандера проведем термодинамический расчет, в котором оценим его эффективность в сравнении с дросселирующим устройством. Энергетическая эффективность будет определяться по минимуму теплоты, затраченной на подогрев газа.
СРАВНЕНИЕ ПРОВОДИЛОСЬ ПРИ СЛЕДУЮЩИХ УСЛОВИЯХ:
1) массовый расход газа G = 1 кг/с. Доля метана в природном газе г = 0,97;
2) температура газа перед ГРС соответствует средней температуре в конце линейного участка магистрального газопровода = 10 °С;
3) температура газа после ГРС tг = 5 °С;
4) давление газа до расширения и после р = р = 3,5 МПа и р, = 1,2 МПа, соот-
вх ~1 ' '2 '
ветственно, т. е. типичные давления до и после ГРС.
Расчетная схема дросселирования представлена на рис. 1. Падение температуры в процессе дросселирования определяется эффектом Джоуля - Томсона:
^ - ^ = = ^ ср^ (1)
Ссылка для цитирования (for citation):
Зацепин С.С., Купцов С.М. Применение турбодетандерных установок на газораспределительных станциях // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 12. С. 50-53.
Zatsepin S.S., Kuptsov S.M. The Use Of Turbo-Expander Units On Gas-Distributing Stations (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 12, P. 50-53.
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
Рис. 2. Расчетная схема редуцирования турбодетандерной установкой: 1 - ГРС; 2 - подогреватель; 3 - турбодетандер
Fig. 2. A calculated scheme of the reduction of a turbo-expander device: 1 - GDS; 2 - heater; 3 - turbo-expander
где Dh - коэффициент Джоуля - Томсо-на; Др - перепад давлений при дросселировании.
Необходимая тепловая мощность подогревателя определяется по формуле:
Q.
: G.c .(t - t ), кВт,
pm 4 1 вх''
(2)
где срт - средняя изобарная теплоемкость газа.
Для приведенных термодинамических параметров дросселирования методом итерации имеем Dh с = 4,89 К/МПа, срт = 2,42 кДж/(кг.К) [4]. В результате вычислений получаем:
1 = 16,2 °С и Q = 15,1 кВт.
1 др
Расчетная схема ТДУ представлена на рис. 2.
В расчете принято, что политропный КПД процесса расширения в турбоде-
тандере равен г|пол = 0,75 и КПД, учитывающий механические и электрические потери в самом турбодетандере и его электрическом оборудовании, тц = 0,95. Температуру реального газа в начале процесса расширения в турбодетандере найдем из соотношения [4]: к- 1 Р2 \Лп».'к
(3)
Рис. 3. Схема редуцирования двумя турбодетандерными установками с промежуточным подогревом газа:
1 - турбодетандер первой ступени; 2 - теплообменник; 3 - турбодетандер второй ступени Fig. 3. The reduction scheme of two turbo-expander units with the medium gas heating: 1 - turbo-expander of the first stage; 2 - heat exchanger; 3 - gas liquefier of the second stage
Для конечных термодинамических параметров адиабатного расширения z2 = 0,95 и И2 = 557 кДж/кг. Начальные значения z1 = 0,96 и И1 = 784 кДж/кг, а также к = 1,31 найдены методом последовательного приближения [4]. В результате вычислений получаем 1 = 109 °С, Q = 271 кВт и w = 216 кВт.
1 тд эл
Таким образом, при данных условиях эксплуатации замена всех редуцирующих устройств турбодетандерами приведет к увеличению расхода топливного газа в подогревателе в:
Q 271
n=(f=iiu ~ 18 раз.
(5)
где z - коэффициент сжимаемости; к -показатель адиабаты. Мощность, вырабатываемая турбо-детандером, и передаваемая в сеть электроэнергия определяются потенциальной работой м или перепадом энтальпий И и массовым расходом проходящего газа:
N = G.w = т| = г| ^.(И, - И,). (4)
эл эл 1тд 1,2 'тд \ 1 2/ \ /
Особого внимания достоин тот факт, что тепловая энергия, которую необходимо подвести к газу в подогревателе, превышает электрическую энергию,которую производит турбодетандер. Таким образом, замена всех редуцирующих устройств ГРС турбодетандерами может оказаться малоэффективной, поскольку всей произведенной турбодетандерами электроэнергии не хватит даже на подогрев редуцируемого газа. При этом эффективность системы «подогреватель - турбодетандер» составит:
H -W:
тд
216 271
100 = 79 %.
(6)
Коэффициент полезного действия самых современных газотурбинных двигателей, применяемых на объектах ПАО «Газпром», не превышает 40 %. Таким образом, с точки зрения энергетического оборудования связка «подогреватель -турбодетандер» превосходит другие способы получения электроэнергии из углеводородных ресурсов. Более рациональным способом применения турбодетандеров с целью редуцирования газа является их установка на объектах, на которых имеется мощный источник избыточной теплоты, будь то газотурбинный двигатель или другая тепловая машина.
Для того чтобы повысить эффективность ТДУ без применения подогрева газа до высоких температур, можно применить схему из двухступенчатого расширения с промежуточным подогревом (рис. 3).
52
№ 12 декабрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Расчет многоступенчатого редуцирования The calculation of the multi-stage reduction
Этап редуцирования Reduction stage p1, МПа p1, МРа p2, МПа p2, МРа кДж p™' кг-К КДЖ ' КГ
kJ ср™' kg-K kJ qi.2' kg
1 3,0 2,52 2,34 35,10
2 2,52 2,12 2,31 34,65
3 2,12 1,78 2,29 34,35
4 1,78 1,50 2,28 34,20
5 1,50 1,20 2,26
Подогрев газа между турбодетандерами осуществляется в теплообменнике за счет охлаждения редуцируемого газа. Учитывая то, что расход газа через ТДУ незначителен по сравнению с общим расходом газа через ГРС температура охлаждаемого в теплообменнике газа (Ц снизится незначительно. Расчетная тепловая мощность тепло-обменного аппарата определяется как
^а = Ча^ртЛ - У = ^р^ - ^ (7)
где (^ - и (т2 - т5) - перепады температур первого («горячего») и второго («холодного») теплоносителей. Воспользуемся формулами (3) и (2) для определения перепада давления на каждом этапе редуцирования и тепловой мощности теплообменника таким образом, чтобы температура на турбодетан-дере изменялась от 20 до 5 °С. Результаты вычислений сведены в таблицу, из данных которой можно сделать вывод, что для редуцирования при помощи турбодетандеров без дросселирования понадобится значительное количество турбодетандеров и теплообменников. Если начинать процесс снижения давления в турбодетандерах с более высокого давления, то количество ступеней «детандер - теплообменник» увеличится.
Однако двухступенчатое расширение в турбодетандерах с однократным про-
межуточным подогревом имеет перспективы.
С учетом расхода газа через турбо-детандер модели ТДУ-3 производства ООО НПК «НТЛ» ^ = 0,26 кг/с [5]) определим мощность теплообменника:
Q = G.q1, = 0,26.35,1 = 9,1 кВт. (9)
др п1,2 4 '
Зная теплоемкость газа до редуцирования и задавшись перепадом температуры в три градуса, возможно определить расход охлаждаемого газа Qком = 6829 м3/ч. Полученное значение меньше, чем расход газа через ГРС. Таким образом, при правильном выборе теплообмен-ного аппарата данная схема имеет перспективы к применению.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установка турбодетандеров на газораспределительных станциях является
перспективным ресурсосберегающим мероприятием. Примененные на ГРС в ООО «Газпром трансгаз Москва» тур-бодетандерные установки наглядно доказали свою надежность и эффективность. Дальнейшие перспективы наращивания турбодетандерных мощностей упираются в законодательные ограничения. На первый взгляд, энергетическая компания является наиболее логичным покупателем произведенного на ГРС электричества, однако на нее может оказывать влияние множество факторов. Например, если эта компания имеет достаточную мощность для обеспечения потребителей электричеством, маловероятно, что она будет покупать его у газовой компании. С другой стороны, Федеральный закон [6] заставляет ее покупать электроэнергию от нетрадиционных источников, но реально, на практике, он пока работает плохо.
References:
1. Catalogue Of The Effective Energy-Saving Technologies In The Gas Production, Transportation And Underground Storage Of Gazprom JSC. Moscow, Gazprom JSC, 2011, 310 pp. (In Russian)
2. Porshakov B.P., Kalinin A.F., Kuptsov S.M. and others. The Energy-Saving Technologies Of Gas Transportation: Tutorial. Moscow, Publishing center of Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2014, 408 pp. (In Russian)
3. Dikih B., Boyarinov M., Avloshenko A. A Review Of Current Constructions Of Turbo-Expander Generators. Saint Petersburg, NTC MTT LLC, 2008, 90 pp. (In Russian)
4. Kalinin A.F. Calculation, Regulation And Optimization Of Operating Modes Of Gas Compressor Units. Moscow, MPA-Press, 2011, 264 pp. (In Russian)
5. Technical Conditions TU 3437-024-33904627-2014. Turbine Expanders Of The Type Of TDU. Verkhnyaya Saida, NPK «NTL» LLC, 2014, 29 pp. (In Russian)
6. Federal law of 26 March 2003 No. 35-FZ «About Electric Power Industry». (In Russian)
Литература:
1. Каталог эффективных энергосберегающих технологий в добыче, транспортировке и подземном хранении газа ОАО «Газпром». М.: ОАО «Газпром», 2011. 310 с.
2. Поршаков Б.П., Калинин А.Ф., Купцов С.М. и др. Энергосберегающие технологии транспорта газа: Учеб. пособие. М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. 408 с.
3. Диких Б., Бояринов М., Авлошенко А. Обзор современных конструкций турбодетандерных генераторов. СПб.: ООО «НТЦ МТТ», 2008. 90 с.
4. Калинин А.Ф. Расчет, регулирование и оптимизация режимов работы газоперекачивающих агрегатов. М.: МПА-Пресс, 2011. 264 с.
5. ТУ 3437-024-33904627-2014. Турбодетандерные установки типа ТДУ. Верхняя Салда: ООО «НПК «НТЛ», 2014. 29 с.
6. Федеральный закон от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике».
