CC BY
161
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.438
Гафуров А.М. , Осипов Б.М.
ТУРБОДЕТАНДИРОВАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ЕГО СЖИЖЕНИЕМ
Проведена работа по исследованию энерготехнологической установки получения сжиженного природного газа и производства электроэнергии с использованием утилизационных турбодетан-дерных агрегатов совместно с газовой турбиной на газораспределительной станции.
Ключевые слова: газораспределительная станция, энерготехнологическая установка, сжижение природного газа, пропан-бутановая фракция, газовая турбина, турбодетандирование, турбоде-тандерные агрегаты, математическая модель.
Для достижения цели стабильного, бесперебойного и экономически эффективного удовлетворения постоянно возрастающего внутреннего и внешнего спроса на природный газ энергетической стратегией России на период до 2020 года предусматривается сокращение потерь и снижение затрат на всех стадиях технологического процесса при добыче, подготовке и транспорте газа, а также решение задач ресурса и энергосбережения. С точки зрения энергосбережения в газотранспортной системе на сегодня весьма перспективной является утилизация энергии избыточного давления природного газа, подводимого по газопроводам к газораспределительным станциям (ГРС) и газораспределительным пунктам (ГРП) промышленных потребителей газа. Как известно, при существующей системе газоснабжения потребителей давление транспортируемого природного газа (ПГ) снижается за счет простого дросселирования с полной потерей избыточной механической энергии, ранее затраченной на сжатие газа в компрессорах. Для утилизации потенциальной энергии давления газа могут использоваться турбодетандерные агрегаты.
Турбодетандерный агрегат представляет собой устройство, в котором природный газ используется в качестве рабочего тела (без сжигания газа). Энергия газа преобразуется в турбодетандере в механическую. При этом давление и температура газа снижаются. Механическая энергия, полученная в турбодетандере, может быть преобразована, в частности, в электрическую в соединенном с турбодетандером электрическом генераторе.
Высокая энергетическая эффективность турбодетандерных агрегатов определяется, прежде всего, следующим. Несмотря на то, что в турбодетандере происходят преобразования внутренней энергии рабочего тела в механическую, в основе его действия не лежит циклический процесс, как того требует классическое определение теплового двигателя, для обеспечения работы которого согласно второму закону термодинамики необходимо отдавать часть подведенной теплоты холодному источнику. Природа турбодетандера такова, что почти вся подведенная к нему энергия (за исключением механических потерь и потерь от необратимости теплообмена) может быть преобразована в механическую энергию.
В установках разделение природного газа на фракции происходит при низких температурах и сжижаются его значительные объемы [1], что обусловливает большие энергетические и материальные затраты. Поэтому одной из задач при исследовании технологий разделения ПГ является разработка энергетически и экономически эффективных технологических схем, характеризующихся минимальными затратами на производство сжиженного природного газа (СПГ). Так как установки ожижения природного газа характеризуются значительным потреблением электрической энергии на собственные нужды, то эффективно комбинирование в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) процессов производства СПГ и электроэнергии. Это дает возможность покрытия собственных нужд в электроэнергии (при необходимости - производства дополнительной электроэнергии), а также утилизации для производства электроэнергии не сконденсировавшихся газов с последней ступени сепарации (так называемой продувки), которая необходима для удаления из холодильного цикла азота и гелия. При этом объем продувки может быть оптимизирован, что обеспечит рост экономической эффективности комбинированного производства в целом.
Энергетическая и экономическая эффективность перспективных ЭТУ в большой мере зависит от правильности выбора основных параметров установки и вида ее технологической схемы. Решение указанной задачи из-за сложности таких установок возможно только на основе современных методов оптимизации с применением математического моделирования технологических схем. Применение утилизационных турбодетандерных агрегатов совместно с газовыми турбинами на ГРС позволяет использовать преимущества газотурбогенераторов и детандер-генераторных агрегатов в произ-
водстве необходимого количества электроэнергии, которое можно употреблять на собственные нужды процесса сжижения ПГ [2].
Реализация в технологической схеме ЭТУ производства необходимого количества электроэнергии для процесса сжижения ПГ позволяет реализовать независимую технологическую схему производства СНГ. Технологическая схема ЭТУ получения СНГ и производства электроэнергии представлена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии: Т1-Т2 - теплообменники-охладители; Ф1 - фильтр; С-1 - С-3 - сепараторы-отделители жидкой фазы; Д1-Д3 -турбодетандеры; К1 - компрессор метанового холодильного цикла; ГТ - газовая турбина; КС -камера сгорания; КВ - компрессор воздушный; КУ - котел-утилизатор; Др - дросселирование.
В схеме применяется цикл с комбинированным хладагентом и двумя ступенями сепарации. На первой ступени сепарации из установки отбираются легкоожижаемые компоненты (пропан и бутан), которые могут использоваться как целевые компоненты для выработки механической (электрической) энергии. В данной схеме продукты первой ступени сепарации используются как целевые. Со второй ступени сепарации отбирается сжиженный метан (с примесью несконденсировавшегося на предыдущих ступенях этана). Для избегания накопления в регенеративном цикле балластных компонентов в схеме предусмотрена продувка природного газа. Часть несконденсировавшегося природного газа со второй ступени сепарации возвращается в цикл на первую ступень охлаждения природного газа, а затем поступает в камеру сгорания КС газовой турбины ТГ на
выработку электроэнергии. Для сжижения ПГ используется метановый холодильный цикл с детандером [3].
К важнейшим особенностям, которые необходимо учитывать при исследовании ЭТУ получения СПГ и электроэнергии, следует отнести взаимовлияние между производством СПГ и выработкой электроэнергии, что существенно сказывается на стоимости всех блоков установки и её тепловой эффективности. Основным параметром, определяющим это соотношение, является расход продувки природного газа на производство электроэнергии. Этот параметр был выбран в качестве функции цели при нелинейной оптимизации параметров ЭТУ
В процессе сжижения ПГ часть несконденсированного газа во второй ступени сепарации с помощью продувки направляется в ресивер для хранения. В дальнейшем газ из ресивера можно направлять в КС газовой турбины или же непосредственно в КУ для сжигания. Это обеспечит непрерывный подогрев ПГ в КУ, который направляется в Д2.
Начальными данными для исследуемой технологической схемы ЭТУ являются входные и выходные параметры транспортируемого ПГ на ГРС. Принятый расход для сжижения ПГ составляет около 2,2 млрд м в год. Состав ПГ не являлся привязанным к какому-либо месторождению и поэтому был выбран средний состав ПГ равный (в %): СН4-91,53; СгНб-3,51; СзНв-2,51; N2-2,13; Не-0,31 [4].
Извлекаемая на первой ступени сепарации жидкая пропан-бутановая фракция в количестве теоретически возможном до 10% от общего количества ПГ направляется на заполнение в баллоны с рабочими параметрами хранения равными: 233К-313К, 1,6 МПа. В дальнейшем эта фракция может быть использована как моторное топливо на автотранспорте. Получаемый сжиженный метан во второй ступени сепарации направляется на заполнение в специальные криогенные емкости (баллоны) с хорошей теплоизоляцией и рабочими параметрами хранения, равными 112К, 0,150,35 МПа, и предназначенные для хранения или транспортировки с последующей регазификацией [5].
Описание процессов, происходящих в криогенных элементах ЭТУ, характеризуется высокой сложностью, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью расчета термодинамических и транспортных свойств потоков с учетом фазового состояния входящих в него компонентов. С помощью программного комплекса газодинамических расчетов энергетических турбомашин (ПК ГРЭТ), разработанного в КГЭУ, была составлена матема-
тическая модель (ММ) исследуемой технологической схемы ЭТУ. ПК ГРЭТ позволяет моделировать и проводить термогазодинамические расчеты, связанные с проточной частью газотурбинных машин, комбинированных двигателей и установок и двигателей с изменяемым рабочим процессом. При этом обеспечивается выполнение расчетов на всех этапах жизненного цикла аналогичных установок, включая проектирование, испытания, доводку, серийное производство и эксплуатацию [6].
Подготовка и обработка данных реализована в форме диалога, который контролирует ввод и осуществляет проверку пользовательских данных. Моделируемый объект в программе визуализируется в виде древовидной структуры, ветвями которой являются отдельные модули узлов (МУ), программы управления, результаты расчетов и другие данные (табл. 1).
Таблица 1. Количество сжижаемых компонентов ПГ с их затратами и производством электроэнергии
Показатель параметра, размерность Значение параметра
Производство сжиженного пропан-бутана, кг/с 4,40
Производство сжиженного метана, кг/с 45,80
Продувка ПГ на производство электроэнергии, кг/с 4,80
Мощность, кВт
• газовой турбины 121576,16
• турбодетандеров 34582,90
• компрессора метана -84882,70
• воздушного компрессора -70059,54
• полезная 1,10
Годовой расход топлива
• условного, тыс. т у.т. 2500
• натурального, млн м3 2200
Годовое производство СПГ
• в условном топливе, тыс. т у.т. 1920
• натурального, тыс. т 1150
Результаты проведенных технико-энергетических исследований показывают, что реализация проектов внедрения турбодетандерных установок и разработанных на их основе турбодетандерных комплексов с конкретными параметрами оборудования для ГРС (ГРП) обеспечивает их достаточно высокую эффективность в широком диапазоне изменения технико-энергетических параметров и условий функционирования. Количество вырабатываемой электрической мощности турбодетандерными установками в ЭТУ составляет 40,74% от потребляемой электрической мощ-
ности компрессорной установкой по сжижению ПГ, что позволяет экономить около 81,85 млн м в год ПГ или 98,22 тыс. т у.т.
Подход к решению задачи комплексных технико-энергетических исследований ЭТУ получения СПГ и электроэнергии ориентирован на широкое применение методов математического моделирования, проведение численных исследований на моделях и позволяет учесть неопределён-ность условий сооружения установок получения СПГ и электроэнергии, обеспечить сопоставимость рассматриваемых вариантов ЭТУ ожижения ПГ по экономическому эффекту. Необходимость в реализации полученной модели технологической схемы ЭТУ заключается в том, что в стране имеется значительное количество ГРС, где редуцируемый газ бесполезно теряет свое давление, а в отдельных случаях в зимний период приходится подводить еще энергию для подогрева газа перед его дросселированием. В то же время, используя практически бесплатную энергию перепада давления газа можно получить общественно полезный, удобный и экологически безопасный энергоноситель - СПГ, с помощью которого можно газифицировать промышленные, социальные объекты и населенные пункты, не имеющие трубопроводного газоснабжения.
Источники
1. Николаев В.В., Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Основные процессы физической и физикохимической переработки газа. М.: Недра, 1998. 184 с.
2. Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы: монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. 211 с.
3. Микулина Е.И., Марфениной И.В., Архарова А.М. Техника низких температур. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. М.: Энергия, 1975. 512 с.
4. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990. 762 с.
5. Энциклопедия газовой промышленности. 4-е изд. Пер. с франц.: ред. пер. К.С. Басниев. М.: Акционерное общество ТВАНТ, 1994. 884 с.
6. Казанский государственный университет им. А.Н. Туполева (КАИ) CAD/CAM центр - программный комплекс «ГРЭТ». Руководство программиста. Казань, 1998. 144 с.
Зарегистрирована 14.02.2011 г.
