CC BY
37
УДК 621.6.05
А.Е. Белоусов, О.В. Кабанов, Г.Х. Самигуллин, И.И. Филатова
УТИЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГИИ СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА НА МАЛЫХ ПУНКТАХ РЕДУЦИРОВАНИЯ ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
ПРИ ПОМОЩИ РЕГУЛИРУЕМОГО ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА ОБЪЕМНОГО ТИПА
Представлен вариант модифицированной схемы пункта редуцирования со встроенным ДГА объемного типа и системой стабилизации частоты вращения его вала на переменных режимах работы. Составлена математическая модель динамики процессов, связанных с ДГА, позволяющая оценить влияние ДГА на газодинамику пунктов редуцирования. Представлены результаты, подтверждающие возможность утилизации энергии сжатого природного газа в процессе редуцирования даже при высокой неравномерности отбора газа потребителями.
Ключевые слова: детандер-генератор, объемный тип, редуцирование, газораспределительные станции, газорегуляторные пункты, неравномерность отбора газа, система автоматического управления, математическая модель, динамические характеристики, переходный процесс, Wolfram Mathematica.
Введение
Энергия сжатого природного газа, теряемая во время понижения давления в пунктах редуцирования перед потребителями, может быть утилизирована при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) [1-4].
Особенностью единой системы газоснабжения является ее большая раз-ветвленность и наличие огромного числа малых пунктов редуцирования, таких как мини-ГРС и ГРП, которые характеризуются небольшими габаритами и высокой неравномерностью отбора газа (рис. 1—3). В таких условиях подход, на-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-18-26
правленный на максимизацию количества утилизированной энергии при помощи турбодетандеров [5], может быть не совсем удачным.
Для применения на малых пунктах редуцирования предлагается использовать объемный тип расширительных машин, например, пластинчатые пневмодвига-тели, как один из наиболее дешевых, неприхотливых и негабаритных [1]. Они имеют высокие соотношение мощность — вес и степень расширения газа, а также возможность безмасляной работы, и при этом обладают мощностями (0,2—10 кВт), достаточными для существенного повы-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 18-26. © А.Е. Белоусов, О.В. Кабанов, Г.Х. Самигуллин, И.И. Филатова. 2017.
шения энергоавтономности и, полного или частичного, обеспечения электроэнергией систем телеметрии, телемеханики, электрохимической защиты. Это особенно актуально для объектов, значительно удаленных от централизованных источников электроэнергии, а также в случаях, когда стоимость технологиче-
ского присоединения велика, либо подключение невозможно в принципе [4, 6]. Кроме этого, в связи с неравномерностью отбора газа потребителями, для поддержания заданной частоты вращения вала детандера необходимо применить систему стабилизации частоты вращения вала ДГА.
Рис. 1. Пример распределения коэффициента месячной неравномерности [7, 8]
Понедельник Вторник Среда Четверг Пятница Суббота Воскресенье
• Квартиры — — — Промышленность Рис. 2. Пример распределения коэффициента суточной неравномерности [7]
4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 •Квартиры — — — Промышленность
Рис. 3. Пример распределения коэффициента часовой неравномерности [7]
Рис. 4. Упрощенная принципиальная схема пункта редуцирования с системой ДГА объемного типа: 1 — запорная арматура, 2 — фильтр-грязеуловитель, 3 — предохранительный запорный клапан, 4 — объемная расширительная машина, 5 — электрогенераторная часть, 6 — регулирующий клапан, 7 — ресивер, 8 — регулятор давления, 9 — предохранительный сбросной клапан со свечой, 10 — датчик частоты вращения, 11 — тахометр, 12 — ПИ-регулятор, 13 — привод регулирующего клапана
Особенности системы регулирования
Существуют различные автоматические системы регулирования ДГА [9, 10]. В их основе, так или иначе, лежат принципы разделения и переключения потоков. Однако, зачастую такие системы имеют чрезмерную степень сложности и значительные габариты, определяемые применением турбинных расширительных машин и высокими расходами газа.
Для утилизации энергии на малых пунктах редуцирования и осуществления стабилизации скорости вращения ДГА объемного типа предлагается модифицировать принципиальную схему пункта редуцирования (рис. 4).
Такая схема также имеет принцип разделения потока. Однако, оно происходит непосредственно между предохранительным запорным клапаном 3 (ПЗК) и регулятором давления 8 (РД) в зависимости от степени открытия регулирующего клапана 6. Часть газа проходит через объемную расширительную машину 4, где, теряя энергию, совершает работу, а другая — через параллельную линию. Оба потока встречаются в ресивере 7, который служит для гашения скачков давления и предотвращения чрезмер-
ной «раскачки» РД системой стабилизации. Управляющий сигнал для привода регулирующего клапана вырабатывается ПИ-регулятором 12 в зависимости от результата сравнения мгновенной частоты вращения вала пневмодвигателя с определенной уставкой.
Результатом использования такой системы является возможность работы детандер-генераторной установки с относительно малыми давлениями и расходами, независимо от неравномерности отбора газа потребителями и изменения момента нагрузки, а также сокращение количества энергии, теряемой на РД. При этом такая система является наиболее простой, обладает сравнительно малыми габаритами и стоимостью.
Стоит отметить, что, при использовании в системах пунктов редуцирования такого устройства, необходимо заново осуществить подбор РД, т.к. его входное давление уменьшится вследствие расширения газа на пневмодвигателе и регулирующем клапане.
Математическое моделирование
В статье [1] были проведены подробные статический и динамический расчеты детандера объемного типа на
примере пластинчатого двигателя с созданием оригинальной математической модели.
Однако, для получения математической модели ДГА, представленного на рис. 4, необходимо учесть влияние на работу детандера перепуска части потока через регулирующий клапан, изменение давления в ресивере и неравномерность отбора газа потребителями. А значит описать систему регулирования, ресивер, действие потребителя и соединяющие трубки.
Ввиду малой протяженности последних и их низкой инерционности, ими пренебрегаем. Питание всей системы газом происходит из магистрали с постоянным давлением в неограниченном объеме. Открытие регулирующего клапана полностью соответствует сигналу ПИ-регулятора и не имеет задержки.
В таком случае необходимо написать только одно дополнительное дифференциальное уравнение(ДУ)для ресивера, которое будет представлять собой связь двух, ранее разделенных, потоков с расходом потребителя.
Для начала напишем уравнение мгновенного изменения массы газа в ресивере:
dm dt
= Gnr + G„n - G
ДГ
Др
Потрi
m =P'VpB =
-B^V R ■ T PB
рассмотрения случая роста давления в ресивере выше давления выхлопной камеры, а значит ее наполнения:
2 2 Р2 - Рр
,если рв > Рр
GAr =
RTAS
. 2 2 1РР - Ps
RTB ^
,если pB < Pp
где /в — площадь выхлопного отверстия пневмодвигателя, м2; рв — давление в выхлопной камере пневмодвигателя, Па; Тв — температура в выхлопной камере, К;
— местное сопротивление выхлопного отверстия, б/р.
Массовый расход регулирующего клапана при докритическом и критическом истечениях соответственно:
Gap =
ДР ' fAP ■
Pp ( - Pp) Pm 0 ——-— ,если—< 2
*Тр Р
,если РР^ > 2
_ Щ Рр
где вдр — коэффициент истечения, б/р;
/ — площадь полностью открытого се-
др 2
чения регулирующего клапана, м2; рм — давление газа в магистрали, Па; Тр — температура газа в ресивере, К.
Массовый расход потребителя при докритическом и критическом истечении из ресивера:
Массу газа в ресивере можно расписать как:
^Потр
где р — плотность газа, кгМ3; V в — объем 1 РВ ресивера, м3; рр—давление газа в ресивере, Па; R — газовая постоянная, Дж<кгК).
Тогда уравнение изменения массы переписывается в уравнение изменения давления:
dpp R ■ Tp , ч
—¿Т = ((V + GAP - G Петр)
dt VPB
Массовый расход газа на выходе из детандера, уточненный для возможности
РР • Р
1Рпотр (рРр Рпотр)
RT„„
потр Гр
,если ——
< 2
Рр • fp
JrTo
,если -
-> 2
где / — площадь сечения выходного отверстия ресивера, м2; рпотр — давление газа за ресивером, Па; Тпотр — температура газа за ресивером, К.
Неравномерность отбора можно задать при помощи изменения расхода газа потребителями из ресивера (коэффициент в). Например, при сокращении отбора газа давления в ресивере, а зна-
потр
чит и после пневмодвигателя, растут, что оказывает сопротивление его вращению, вплоть до варианта полного торможения двигателя противодавлением.
Теперь рассмотрим реализацию процесса регулирования. Для моделирования воспользуемся пропорционально-интегральным (ПИ) законом регулирования. Общий вид выходного сигнала ПИ-регулятора для управления расходом газа через регулирующий клапан:
ОД = Р(Г) + 1(1)
U (t ) = Kp [41 )-®0 ]■
t
+KI J[®( t )-ю0 ] dt
где P(t) и l(t) — пропорциональное и интегральное звенья; ю0 и ro(t) — уставка по частоте вращения и мгновенная частота вращения расширительной машины соответственно, рад/с; Kp и K. — коэффициенты усиления пропорциональной и интегральной составляющих соответственно.
Для успешной реализации, в представленной модели интегральная составляющая регулирования должна быть заменена на дополнительное дифференциальное уравнение, производную dl/dt, использование которой эквивалентно интегралу.
Таким образом, с учетом изменений система уравнений для моделирования, представленная в [1], будет выглядеть следующим образом:
. dы ( хЛ 1п— = рн1х I г + — 1 +
dt н I 2)
+ppl (xT - X) r + x +
X - X
PbIX1 (r + "TT ] — Z Рцт -®2 (r + Xcp )-Mc;
Рис. 5. Разрез пластинчатого пневмодвигателя
dpн = и( р dv^
dpp=-к. р dvp.
dt Vv р dt . dpв= к ( + р dVвЛ.
л"* 1Я7;СДГ+рв -ц}
^ = ^Т ( +[р (t) + ' ^ ЙС ДР - 5 • ° Петр)
рв
л = К, [ю(0-а>о ]
В качестве исходных данных для расчета были приняты характеристики реального серийного оборудования, которое используется для создания прототипа. Для удобства работы и изучения прототипа была выбрана наименьшая расширительная машина в 200 Вт, т.к. при сохранении общих характерных черт и особенностей ее создание и эксплуатация требуют меньших ресурсов.
Исходные данные (рис. 5): радиус ротора пневмодвигателя г = 0,02 м; 6 лопаток длинной I = 0,05 м, высотой = = 0,0131 м и толщиной Ь = 0,005 м; эксцентриситет е = 0,00328 м; угол между соседними лопатками у = 60°; габариты расширительной машины 82х х63х63 мм, абсолютное давление газа в магистрали рм = 0,7 МПа; абсолютное давление газа после ресивера рпотр = = 0,2 МПа; момент нагрузки на валу пневмодвигателя М = 0,5 Нм; ресивер
2 4 6 8 1,С 10
Рис. 6. Частота вращения ДГА объемного типа (1), изменение абсолютного давления в ресивере (2) и сигнал открытия регулирующего клапана (3)
объемом Урв = 0,0056 м3 и отверстиями с площадью проходного сечения ^ = = 0,0004 м2; максимальная площадь сечения регулирующего дросселя /Др = = 0,0003 м2. Уставка частоты вращения ю0 = 125 об^с из расчета дальнейшего использования с передаточным числом редуктора w = 2,5. В остальном параметры идентичны принятым в работе [1]. В качестве параметров, равных единице (рис. 6—7), были приняты: уставка частоты вращения, установившееся аб-
солютное давление в ресивере до возмущения рр = 277 800 Па и сигнал 100% открытия регулирующего клапана. Расчет производился в программе Wolfram Mathematica 10.4.
После разгона ДГА при постоянном открытии регулирующего клапана на 35,5% (рис. 6), в момент времени t = = 6 с, была активирована система стабилизации частоты вращения и создано возмущение в виде сокращения расхода потребителя со 100% до 18% от про-
Рис. 7. Переходные процессы изменения частоты вращения ДГА (1) и абсолютного давления в ресивере (2) после создания возмущения
ектного. Это значение показательно, т.к. является наихудшим значением расчетного часового расхода, вычисленным по наименьшим коэффициентам неравномерности, представленным в примерах на рис. 1—3.
Расчетный часовой расход газа потребителями [7]:
О = к к к О ,
^р м с ч ^ч'
где км, кс, кч — коэффициенты неравномерности газопотребления по месяцам, суткам и часам соответственно; 0ч — проектный часовой расход, м3/час.
Исходя из полученных графиков, можно сказать, что введение в систему двух новых частей (регулирующего клапана и ресивера) не изменило общего характера поведения основных переменных, полученных в [1].
До выхода двигателя на режим постоянной скорости процесс повышения давления в ресивере плавный, апериодический, а после сокращения отбора газа потребителями и гашения возмущения системой регулирования — процесс колебательный, затухающий. Тем не менее, важно отметить риск возникновения автоколебаний из-за связи системы стабилизации и регулятора давления, которую необходимо дополнительно изучить в дальнейшем.
По графикам (рис. 7) видно, что система стабилизации хорошо выполняет свои функции: частота вращения ДГА поддерживается в коридоре 2Д = 4% от значения уставки даже в первоначальный момент возмущения, а колебания давления в ресивере, т.е. до РД, не превышают допустимых пределов в ±25% и входят в коридор 2Д = 4% через 1,14 с
после начала возмущения. Однако, стоит отметить, что столь качественное регулирование на практике не представляется возможным из-за различных задержек, более длинных периодов дискретизации, нелинейности работы регулирующего клапана, инерционности и более упрощенных алгоритмов регулирования, а также из-за принятых в данной работе допущений. Поэтому наиболее точное описание процесса регулирования представленной системы возможно лишь после реальных экспериментов.
Заключение
Обоснована возможность утилизации энергии сжатого природного газа на малых пунктах редуцирования при помощи регулируемого детандер-генераторного агрегата объемного типа. Предложенная модификация принципиальной схемы ГРП/ГРУ позволяет использовать ДГА в качестве основного средства понижения давления природного газа, а также обеспечить достаточно высокую бесперебойность работы при небольших габаритах и стоимости агрегата.
Представленная математическая модель подтверждает возможность успешной работы такого ДГА даже на переменных режимах, вызванных неравномерностью отбора газа потребителями, а также позволяет оценивать влияние самого ДГА на газодинамику пунктов редуцирования.
Однако, для верификации полученной модели, создания точной модели ПИ-регулирования, определения границ применимости такого ДГА и дальнейшего изучения газодинамики необходимы дополнительные исследования прототипа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белоусов А. Е., Кабанов О. В., Волошин М. В. Метод расчета динамических характеристик детандер-генератора объемного типа // Технологии нефти и газа. — 2016. — № 3. — С. 51—55.
2. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной на базе турбин конструкции ЛПИ для магистральных газопроводов и газораспределительных станций [Электронный ресурс]. — СПб.: ООО НТЦ «МТТ», 2010. — Режим доступа: http://stc-mtt.ru/wp-content/uploads/20ll/05/0002x.pdf.
3. Репин А.Л., Репин Л. А. Возможности использования энергии давления природного газа на малых газораспределительных станциях // Энергосбережение. — 2004. — № 3. — С. 70—72.
4. Карасевич В. А., Черных А. С., Яковлев А. А. Перспективы применения автономных источников энергии при транспортировке и распределении газа // Научный журнал российского газового общества. — 2016. — № 1. — С. 59—61.
5. Обзор современных конструкций турбодетандерных генераторов [Электронный ресурс]. — СПб.: ООО НТЦ «МТТ», 2010. — Режим доступа: http://stc-mtt.ru/wp-content/uploads/ 2011/05/0000x.pdf.
6. Оленев Н. Ф. Применение энергетических турбодетандерных установок мощностью до 5кВт в составе технологического оборудования газораспределительных станций // Территория нефтегаз. — 2014. — № 12. — С. 48—49.
7. Суслов Д. Ю. Определение максимальных часовых расходов газа: Методические указания. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. — 58 с.
8. Аршинов М.С. Расчет и анализ сезонной неравномерности при работе систем сбора газа заполярного месторождения за 2007—2009 гг. и на перспективу // Наука и ТЭК. — 2012. — № 5. — С. 30—32.
9. Панарин М. В., Пахомов С. Н., Воробьев Н. Ю., Царьков Г. Ю. Патент РФ № 2014153448/06, 29.12.2014. Устройство регулирования турбодетандера. Патент РФ № 2579301, 10.04.2016, Бюл. № 10.
10. Аксенов Д. Т., Аксенова Г. П. Патент РФ № 2007145540/06, 10.12.2007. Способ устойчивого газоснабжения газораспределительной станцией с энергохолодильным комплексом, использующим для выработки электрической энергии и холода энергию избыточного давления природного газа и система для реализации способа. Патент РФ № 2346205. 10.02.2009, Бюл. № 4. ii^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Белоусов Артём Евгеньевич1 — аспирант,
e-mail: belousovartemevg@gmail.com,
Кабанов Олег Васильевич1 — кандидат технических наук,
доцент, e-mail: kab2003@mail.ru,
Самигуллин ГафурХалафович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: samigullin_gch@spmi.ru,
Филатова Ирина Игоревна1 — аспирант, e-mail: filatovaii@spmi.ru, 1 Санкт-Петербургский горный университет.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 18-26.
UDC 621.6.05
A.E. Belousov, O.V. Kabanov, G.Kh. Samigullin, I.I. Filatova
USE OF COMPRESSED NATURAL GAS ENERGY AT SMALL REDUCING POINTS OF GAS GRID USING ADJUSTABLE POSITIVE DISPLACEMENT GAS EXPANSION MACHINE
The energy of the compressed natural gas which is lost during the pressure reduction at gas distribution stations (GDS) and gas control units (GCU) can be utilized by applying the expander-generator sets (EGS). Many GDS and GCU are characterized by small dimensions and high gas consumption irregularity. In such cases, the approach aimed at maximizing the amount of utilized energy with the help of traditional turbogenerators may not be entirely successful.
It is proposed to use EGS with a volumetric expansion machines at pressure reduction units. For example, one of the cheapest, forgiving and not excessive in size plate-type pneumatic motors. They have a high power-weight ratio and the degree of gas expansion, as well as the possibility of oil-free work. And at the same time they have capacities (up to 10 kW) sufficient to significantly increase the energy independence and provide electricity to telemetry, communications and corrosion protection systems. This is very actual for facilities which are placed far from centralized power sources, as well as in cases of high cost of technological connection, or if the connection is impossible. In addition, due to high gas consumption irregularity, in order to maintain the rotational speed of the EGS shafts, it is necessary to apply a stabilizing systems.
The article presents a variant of a modified pressure reduction unit with a built-in adjustable volumetric EGS.
A mathematical model is presented, which makes it possible to estimate the influence of EGS on the gas dynamics of pressure reduction units. The results confirm the possibility of compressed natural gas energy utilization by the volumetric EGS, even with high gas consumption irregularity.
Key words: expander-generator set, volumetric type, pressure reduction, gas distribution stations, gas control units, gas consumption irregularity, automatic control system, mathematical model, dynamic characteristics, transient process, Wolfram Mathematica.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-18-26
AUTHORS
Belousov A.E.1, Graduate Student, e-mail: belousovartemevg@gmail.com, Kabanov O.V1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: kab2003@mail.ru, Samigullin G.Kh.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: samigullin_gch@spmi.ru, Filatova I.I1, Graduate Student, e-mail: filatovaii@spmi.ru, 1 Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
REFERENCES
1. Belousov A. E., Kabanov O. V., Voloshin M. V. Tekhnologii nefti igaza. 2016, no 3, pp. 51-55.
2. Razrabotka i sozdanie avtonomnykh energeticheskikh ustanovok maloy moshchnosti s rasshi-ritel'noy turbinoy na baze turbin konstruktsii LPI dlya magistral'nykh gazoprovodov i gazoraspredeli-tel'nykh stantsiy. Saint-Petersburg, OOO NTTs «MTT», 2010, available at: http://stc-mtt.ru/wp-content/ uploads/2011/05/0002x.pdf.
3. Repin A. L., Repin L. A. Energosberezhenie. 2004, no 3, pp. 70-72.
4. Karasevich V. A., Chernykh A. S., Yakovlev A. A. Nauchnyy zhurnal rossiyskogo gazovogo obsh-chestva. 2016, no 1, pp. 59-61.
5. Obzorsovremennykh konstruktsiy turbodetandernykh generatorov, Saint-Petersburg, OOO NTTs «MTT», 2010, available at: http://stc-mtt.ru/wp-content/uploads/2011/05/0000x.pdf.
6. Olenev N. F. Territoriya neftegaz. 2014, no 12, pp. 48-49.
7. Suslov D. Yu. Opredelenie maksimal'nykh chasovykh raskhodovgaza: Metodicheskie ukazaniya (Determination of the maximum gas hourly expenditure: Instructional guidelines), Belgorod, Izd-vo BGTU, 2015, 58 p.
8. Arshinov M. S. Nauka i TEK. 2012, no 5, pp. 30-32.
9. Panarin M. V., Pakhomov S. N., Vorob'ev N. Yu., Tsar'kov G. Yu. Patent RU 2014153448/06, 29.12.2014. Patent RU 2579301, 10.04.2016.
10. Aksenov D. T., Aksenova G. P. Patent RU 2007145540/06, 10.12.2007. Patent RU 2346205. 10.02.2009.
