image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 12 2016

Газораспределительные станции и системы газоснабжения

01.12.2016 10:00 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 турбодетандеры 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.
Ссылка для цитирования: Зацепин С.С., Купцов С.М. Применение турбодетандерных установок на газораспределительных станциях // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 12. С. 50–53.
Открыть PDF


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.

Image_005.png

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

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 электроподогрева. 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 турбодетандера. 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 эффективностью. 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 rCH4 = 0,97;

2) температура газа перед ГРС соответствует средней температуре в конце линейного участка магистрального газопровода tвх = 10 °С;

3) температура газа после ГРС t2 = 5 °С;

4) давление газа до расширения и после pвх = p1 = 3,5 МПа и p2 = 1,2 МПа, соответственно, т. е. типичные давления до и после ГРС.

Расчетная схема дросселирования представлена на рис. 1.

Падение температуры в процессе дросселирования определяется эффектом Джоуля – Томсона: 

t1 – t2 = ∫12*Dh*dp = Dh ср∆p,                    (1)

где Dh – коэффициент Джоуля – Томсона; ∆p – перепад давлений при дросселировании.

Image_007.png

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


Необходимая тепловая мощность подогревателя определяется по формуле: 

Qдр = G*cpm*(t1 – tвх), кВт,              (2) 

где cpm – средняя изобарная теплоемкость газа.

Для приведенных термодинамических параметров дросселирования методом итерации имеем Dh ср = 4,89 К/МПа,  cpm = 2,42 кДж/(кг.К) [4].

В результате вычислений получаем:
t1 = 16,2 °С и Qдр = 15,1 кВт.

Расчетная схема ТДУ представлена на рис. 2.

В расчете принято, что политропный КПД процесса расширения в турбодетандере равен ηпол = 0,75 и КПД, учитывающий механические и электрические потери в самом турбодетандере и его электрическом оборудовании, ηтд = 0,95.

Температуру реального газа в начале процесса расширения в турбодетандере найдем из соотношения [4]: 

1_1_1.jpg,                                     (3) 

где z – коэффициент сжимаемости; k – показатель адиабаты.

Мощность, вырабатываемая турбодетандером, и передаваемая в сеть электроэнергия определяются потенциальной работой w или перепадом энтальпий h и массовым расходом проходящего газа: 

Nэл = G*wэл = ηтд*G*w1,2 = ηтд*G*(h1 – h2) (4)

Для конечных термодинамических параметров адиабатного расширения z2 = 0,95 и h2 = 557 кДж/кг. Начальные значения z1 = 0,96 и h1 = 784 кДж/кг, а также k = 1,31 найдены методом последовательного приближения [4].

В результате вычислений получаем t1 = 109 °С, Qтд = 271 кВт и wэл = 216 кВт.

Таким образом, при данных условиях эксплуатации замена всех редуцирующих устройств турбодетандерами приведет к увеличению расхода топливного газа в подогревателе в:

1_1.jpg                      (5) 

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.

Image_014.png

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


При этом эффективность системы «подогреватель – турбодетандер» составит: 

1_1_2.jpg     (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).

Подогрев газа между турбодетандерами осуществляется в теплообменнике за счет охлаждения редуцируемого газа. Учитывая то, что расход газа через ТДУ (G2) незначителен по сравнению с общим расходом газа через ГРС (G1), температура охлаждаемого в теплообменнике газа (t) снизится незначительно. Расчетная тепловая мощность теплообменного аппарата определяется как 

Qта = ηта*G1*cpm1*(t1 – t2) = G2*cpm2*2 – τ1), (7) 

где (t1 – t2) и (τ2 – τ1) – 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 турбодетандере 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 промежуточным подогревом имеет перспективы.

С учетом расхода газа через турбодетандер модели ТДУ-3 производства ООО НПК «НТЛ» (G = 0,26 кг/с [5]) определим мощность теплообменника: 

Qдр = G*q1,2 = 0,26.35,1 = 9,1 кВт.   (9) 

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 теплообменного 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» турбодетандерные 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.


Расчет многоступенчатого редуцирования
The calculation of the multi-stage reduction

Этап редуцирования

Reduction stage

p1, МПа

p1, МPа

p2, МПа

p2, МPа

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



← Назад к списку


im - научные статьи.