CC BY
52
щ м а ки а мсу рмш имамжм; ид и га; шамоэ; сфмк ми ;имв;а
УДК 621.574.013-932.2+621.578+62-681
Способ совместной выработки электроэнергии, тепла и холода в системах газоснабжения на станциях технологического понижения давления газа
С. В. Горячев,
Оренбургский государственный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики
В. В. Горохов,
Оренбургский государственный университет, студент
Предложен автономный энергообеспечивающий комплекс для выработки электроэнергии, тепла и холода в системе газоснабжения на станциях технологического понижения давления газа. Произведён расчёт детандер-генераторного агрегата, по результатам которого определены основные технические параметры установки и дан сравнительный анализ экономических показателей существующих холодильных машин.
Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, тригенерация, детандер-генераторный агрегат, абсорбционная холодильная машина, вторичные энергоресурсы.
Главными критериями при выборе энергетических мощностей для небольших производств можно назвать автономность, быструю окупаемость и бесперебойность снабжения. В настоящей статье предлагается способ совместной выработки электроэнергии, тепла и холода в системе газоснабжения на станциях технологического понижения давления газа (газораспределительных станциях и газорегулятор-ных пунктах). На сегодняшний день подавляющее большинство газораспределительных станций и газорегуляторных пунктов осуществляет процесс понижения давления за счёт дросселирования потока газа, в результате чего теряется колоссальное количество энергии.
В ОГУ разработан автономный энергообеспечивающий комплекс с уникальной схемой тригенера-ционного цикла для использования вторичных энергоресурсов (дымовых газов) путём предварительного подогрева природного газа перед детандером и десорбции абсорбента от хладагента. В комплекс входят три основные составляющие:
- детандер-генераторный агрегат с подогревом газа перед детандером [1];
- котельная установка;
- абсорбционная холодильная машина (АБХМ).
Принципиальная схема комплекса представлена
на рис. 1.
Установка работает следующим образом. Газ высокого давления поступает в детандер-генераторный агрегат 2, в котором энергия движущегося потока сначала преобразуется в детандере в механическую энергию, а далее, в генераторе, в электрическую, откуда по сети 5 поступает к технологическим потребителям. Излишки электрической энергии могут быть использованы для нужд близлежащего населённого пункта. Далее газ с необходимым давлением по трубопроводу 3 поступает в котельную 4, где сжигается в котлах для нагрева воды отопительной
Рис. 1. Принципиальная схема автономного энергообеспечивающего комплекса: 1 — трубопровод высокого давления;
2 — детандер-генераторная установка; 3 — трубопровод низкого давления;
4 — котельная установка; 5 — электрическая сеть;
6 — основное производство; 7 — дымовые газы от котлов;
8 — трубопровод отопления;
9 — трубопровод горячего водоснабжения;
10 — цех абсорбционной холодильной машины
сети и горячего водоснабжения. По трубопроводу 8 теплоноситель доставляется на производство 6 и в цех АБХМ 10. Дымовые газы от процесса сжигания транспортируются по трубе 7 в цех АБХМ для использования их теплоты с целью выработки холода, а также подводятся к детандер-генераторному агрегату для предварительного подогрева газа, поступающего в детандер. По трубопроводу 9 подаётся вода для нужд горячего водоснабжения.
Наличие детандер-генераторного агрегата (ДГА) в составе автономного энергообеспечивающего комплекса предоставляет возможность использовать процесс понижения давления для производства электрической энергии. На рис. 2 представлена принципиальная схема данного агрегата.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№2 (56)2014, март-апрель
М=0,924- 16,04+0,0312- 30,07+0,0312 44,09+0,0128- 28,02+ +0,00101- 44,01+0,0001- 32+0,000005- 34,02=17,552.
Компонент Объёмная доля, % Молярная масса, кг/кмоль Объёмный показатель адиабаты
Метан 92,4 16,04 1,3144
Этан 3,12 30,07 1,1405
Пропан 3,12 44,09 1,2181
Азот 1,28 28,02 1,4192
Углекислый газ 0,101 44,01 1,2232
Кислород 0,01 32 1,4085
Сероводород 0,0005 34,02 1,4083
Молярная масса М, кг/кмоль [2]: М=а1-М1 +а2- М2+а3- М3+а4- М4+а5- М5+а6- М6+а7- М7, (1) где - молярная масса компонента, кг/кмоль.
[2]:
Индивидуальная газовая постоянная Я, Дж/(кг- К)
Я =
К. м'
(2)
Рис. 2. Принципиальная схема детандер-генераторного агрегата с подогревом газа: 1 — трубопровод высокого давления;
2 — теплообменник подогрева газа высокого давления;
3 — дросселирующее устройство газопровода;
4 — трубопровод с ды/мовыми газами; 5 — детандер;
6 — генератор; 7 — электрическая сеть
К теплообменнику 2 подводятся дымовые газы 4 от котельной для подогрева газа перед детандером. В детандере 5 происходит преобразование энергии движущегося потока в механическую энергию, а затем в генераторе 6 - в электрическую. Также предусмотрено дросселирующее устройство 3 на случай выхода из строя детандера или других составляющих, которое продолжит подавать в котельную газ с необходимыми параметрами.
Для выполнения технологического расчёта детандера необходимо знать основные свойства транспортируемого газа, а именно молярную массу, газовую постоянную, объёмный показатель адиабаты, давление, температуру на входе в установку.
Элементарный состав газа, поступающего на газораспределительную станцию (в процентах по объёму), и свойства компонентов природных газов приведены в табл. 1.
Таблица 1 Физические свойства компонентов природных газов
где К'=8314,4 - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К).
Объёмный показатель адиабаты ку [3]:
К=а1-ку1 +а2 - ку2+а3 - ку3+а4 - ку4 + +а5 - ку5+а6 - ку6+а7 - ку7.
(3)
ку=0,924- 1,3144+0,0317- 1,1405+0,0317- 1,2181 + +0,0128- 1,4192+0,00101- 1,2232+0,0001- 1,4085+ +0,000005- 1,408=1,309;
Коэффициент сжимаемости газа к рассчитывается в соответствии с [4]:
(4)
где г, гс - фактор сжимаемости соответственно при рабочих и стандартных условиях;
Данные, необходимые для расчёта детандер-генераторного агрегата:
- температура на входе в ДГА: 30 °С;
- давление газа на входе в ДГА: 6,11 кг/см2;
- давление газа на выходе из ДГА: 1,02 кг/см2.
Расчёт мощности турбодетандера производится при определённых допущениях, принимаемых для упрощения расчёта без существенного снижения его достоверности.
Перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в турбодетандере Наа, кДж/кг [3]:
(5)
где ку - объёмный показатель адиабаты; к - коэффициент сжимаемости газа; Я - индивидуальная газовая постоянная; Т - температура газа на входе в детандер; Р1, Р2 - давление газа на входе и на выходе из детандера, соответственно.
Условная скорость газа при изоэнтропном расширении С3, м/с [5]:
(6)
Мощность, которую можно получить при использовании на станциях технологического понижения давления газа детандерных установок N, кВт [5]:
N=0- Наа- Пдга' Пм, (7)
где О - расход газа через детандер, кг/с; Пдга=0,85 - КПД детандера; Пм=0,95 - КПД передачи.
N=4,16- 201,502- 0,85- 0,95=676 кВт.
Для получения холода в схеме энергообеспечи-вающего комплекса предусмотрена установка абсорбционной холодильной машины, схема которой показана на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема АБХМ: 1 — десорбер; 2 — абсорбер; 3 — конденсатор; 4 — расширительный клапан; 5 — испаритель; 6 — подвод дымовьхс газов
Греющей средой в машине являются дымовые газы из котельной. Хладагент испаряется при понижении давления в испарителе 5. Этот процесс идёт с
поглощением теплоты. Процесс понижения давления в испарителе происходит за счёт объёмного поглощения хладагента жидким абсорбентом в абсорбере 2. Затем абсорбент с поглощенным им хладагентом (бинарный раствор) поступает в десорбер 1. В десор-бере бинарный раствор нагревается за счёт теплоты дымовых газов, подаваемых к десорберу, в результате чего происходит выделение хладагента из абсорбента. Обедненный абсорбент из десорбера возвращается в абсорбер. Хладагент поступает под большим давлением в конденсатор 3, где переходит в жидкую фазу с выделением теплоты, а затем через расширительный клапан 4 поступает в испаритель, после чего начинается новый цикл.
На данный момент для абсорбционных холодильных машин уже существуют технологические решения и методы расчёта экономических показателей. Нами был произведён расчёт двух типов холодильных установок - парокомпрессионной (ПКХМ) и абсорбционной. В качестве исходных данных для расчёта были выбраны:
- требуемая мощность по холоду 1000 кВт;
- цена за потребление 1 кВт ч электричества 4 руб.;
- цена за подключение 1 кВт электричества 10000 руб.;
- цена за Нм3 природного газа 4 руб.
Результаты расчёта отражены в табл. 2.
Степень газификации российских регионов позволяет претворить данный проект в жизнь. Первоначальные финансовые вложения в создание комплекса создадут для предприятия полностью автономное энергообеспечение. В перспективе роста цен на электроэнергию для промышленных производств экономические показатели аналогичных комплексов позволят производить их и устанавливать на газопроводы в крупных масштабах. Детандер-генераторы относятся к оборудованию, поддерживаемому Киотским протоколом к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Поэтому реализация этих проектов может проводиться с использованием механизма привлечения средств за счёт продажи квот на эмиссию парниковых газов.
Таблица 2
Сравнительный анализ экономических показателей АБХМ и ПКХМ
Тип холодильной машины Стоимость покупки электроэнергии, руб. Годовая стоимость потребления электроэнергии, руб. Годовая стоимость потребления газа, руб. Итоговая годовая стоимость потребления газа и электроэнергии, руб.
АБХМ 43 500 150 336 2 518 543 2 668 879
ПКХМ 3 333 333 11 520 000 0 11 520 000
Литература
1. Агабабов В. С. Способ работы детандерной установки и устройство для его осуществления / / Патент на изобретение № 2150641. Россия. Бюл. № 16. 10.06.2000 г. Приоритет от 15.06.99.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / mw.mdf.nt
№2 (56)2014, март-апрель
2. Луканин В. Н., Шатров М. Г., Камфер Г. М. Теплотехника. 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2000. - 671 с.
3. Баскаков А. П., Берг Б. В., Витт О. К. Теплотехника. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.
4. ГОСТ 30319.2.-96. Газ природный. Методы расчёта физических свойств. Определения коэффициента сжимаемости.
5. Розеноер Т. М. Расчёт турбодетандера: Методические указания по курсу «Турбомашины низкотемпературной техники». - М.: Изд-во УНЦ МГТУ им. Н. Э. Баумана «Криоконсул», 2002. - 80 с., ил.
The method of electricity, heat and cold cogeneration for a gas supply system on gas decompression stations
S. V. Gorjachev,
Orenburg State University, Ph.D., associate professor
V. V. Gorokhov,
Orenburg State University, student
In this paper the authors offer the installation for electricity, heat and cold cogeneration in gas supply systems at stations of technological gas decompression. They make calculation of expander-generator's basic technical parameters and analyze the comparison of economic indicators of existing chillers.
Keywords: energy efficiency, energy economy, trigeneration, expander-generator, absorption refrigerating machine, secondary energy resources.
