автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Применение детандер-генераторных агрегатов для повышения экономичности и надежности работы компрессорных станций в системе транспорта газа

На правах рукописи

□□3 171582

ГАРЯЕВ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМЕ ТРАНСПОРТА ГАЗА

Специальность 05.14 04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 1«ЮМ 2008

Москва, 2008 год

003171582

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель доктор технических наук

Агабабов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты, доктор технических наук, профессор

Галактионов Валерий Витальевич, кандидат технических наук Калинин Николай Васильевич

Ведущая организация ООО «Газпромэнерго»

Защита диссертации состоится «20» июня 2008 г. в 15 час 30 мин в аудитории Г-406 МЭИ (ТУ) на заседании диссертационного совета Д 212 157 10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г Москва, Красноказарменная у л , 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскою энергетического института (технического университета)

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу 111250, г Москва, ул Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ (ТУ) Автореферат разослан «19» мая 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, к т н , доцент

С К Попов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На транспорт газа по магисгральным газопроводам в России, в качестве топлива для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом, тратится 10 - 12 % перекачиваемого природного газа Одним из важных направлений экономии энергии в газовой промышленности является применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА) для получения электроэнергии за счет использования технологического перепада давления газа при его транспорте до потребителя Это направление определено как одно из приоритетных программой создания собственных источников электроснабжения ОАО «Газпром» от 20 10 2000 г

В настоящее время для технологического снижения давления транспортируемого газа на газораспределительных станциях (ГР С), газорегуляторных пунктах (ГРП), в системах топливного газа ГПА на компрессорных станциях (КС), применяется дросселирование Альтернативой дроссечированию является применение детандер-генераторных агрегатов При этом происходит преобразование внутренней энергии газа в механическую работу в детандере, а затем - в электрическую энергию в генераторе

Применение ДГА на ГРС позволяет вырабатывать значительное количество электроэнергии, для собственного потребления и продажи стороннему потребителю Применение ДГА в системе топливного газа ГПА позволяет выработать электроэнергию, позволяющую обеспечить значительную часть собственных нужд КС Использование этой электроэнергии для электроснабжения ГПА позволяет обеспечить возможность их работы в случае полного отключения внешнего электроснабжения Важность этой задачи обусловлена значительным количеством аварийных ситуаций в электрических сетях, а также распространенностью газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом, составляющих более 80% всего парка ГПА в Российской Федерации Так, за 1998 - 1999 гг зарегистрировано 117 случаев нарушения режима электроснабжения только объектов ООО «Тюментрансгаз» по причине возникновения аварийных ситуаций в сетях ОАО «Тюменьэнерго» При этом каждая аварийная остановка ГПА приводит к повышенному расходу электроэнергии и природного газа за счет дополнительных затрат топлива и энергии на запуск агрегатов и работы газотранспортной системы в неноминальных режимах Так, расход газа, сбрасываемого при пуске ГПА, составляет около 750 - 1400 нм3, а при стравливании контура ГПА расход стравливаемого газа составляет от 360 до 1250 нм3

Предварительный подогрев природного газа в теплообменнике-утилизаторе детандер-генераторного агрегата за счет теплоты уходящих газов ГПА позволяет экономить топливо, в настоящий момент используемое в подогревателях топливного и пускового газа

Если принять во внимание непрерывное увеличение потребление газа в мире, повышение доли российского газа, продаваемого за рубеж, а, следовательно, рост затрат на его транспортировку, можно прийти к выводу о необходимости дальнейшего изучения эффективности внедрения ДГА как на действующих, так и на строящихся газопроводах

_Анализ научно-технической и патентной_литературы_показал,_что_

возможности применения ДГА на газоперекачивающих компрессорных станциях магистральных газопроводов практически не изучены и имеется необходимость оценки электрических мощностей ДГА, которые могут быть получены при внедрении ДГА в газотранспортной промышленности РФ, разработки схем, составления математической модели и получения зависимостей для определения показателей эффективности применения ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА

Цель работы. Целью работы является теоретическое обоснование целесообразности применения детандер-генераторных агрегатов на газоперекачивающих агрегатах компрессорных станций Для этого поставлены и решены следующие задачи

1 Разработать схему установки ДГА в системе топливного газа ГПА с газотурбинным приводом с использованием теплоты отходящих газов ГТУ Провести анализ работы установки с учетом режимов работы газоперекачивающего оборудования и определить условия работы и типы ГПА, для которых наиболее выгодно применять ДГА

2 Провести промышленные испытания газоперекачивающего оборудования на действующих газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром»

3 Проанализировать и обобщить паспортные и эксплуатационные данные и характеристики ГПА, собранные во время проведения промышленных испытаний ГПА.

4 Проанализировать и обобщить данные об аварийном электропотреблении газоперекачивающих агрегатов

5 На основе результатов, полученных при обобщении, разработать математическую модель комплекса «ГПА-ДГА» для оценки возможной выработки электроэнергии при установке ДГА на ГПА применяемых в РФ типов с учетом технического состояния ГПА

6 Определить, для каких типов ГПА и при каких условиях работы оборудования, в случае отключения внешнего электроснабжения, можно полностью или частично поддержать бесперебойную или обеспечить полностью автономную работу газоперекачивающего оборудования за счет применения ДГА

7 Предложить методы и произвести технико-экономическую и термодинамическую оценку эффективности работы системы «ГПА-ДГА на различных режимах работы оборудования

8 Определить электрические мощности ДГА, которые могут быть получены при внедрении ДГА на газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром»

Научная новизна.

- Произведены анализ и обобщение, полученных автором данных о составе и режимах работы ГПА, используемых на предприятиях газотранспортной промышленности

- Проанализированы и обобщены данные об аварийном электропотреблении газоперекачивающих агрегатов

- Разработаны математическая модель и алгоритм расчета комплекса «ГПА-ДГА», работающего в системе топливного газа ГПА, при различных режимах работы оборудования

- Определены влияния условий работы и типов ГПА на эффективность применения ДГА

- Получены обобщающие аппроксимирующие зависимости, позволяющие рассчитать мощность детандер-генераторного агрегата в зависимости от мощности и КПД газоперекачивающего агрегата, при установке ДГА в системе топливного газа ГПА применяемых в РФ типов

- Предложены методы оценки технико-экономической эффективности работы системы «ГПА-ДГА» на основе технико-экономического анализа для новой схемы высокоэффективной энергетической установки

Практическая ценность работы состоит в том, что предложено схемное решение для поддержания безаварийного электроснабжения газоперекачивающих агрегатов, определены условия и режимы работы оборудования, при которых можно достичь бесперебойной, и в некоторых случаях полностью автономной работы ГПА при полном отключении внешнего электроснабжения Показано, что применение ДГА позволяет снизить количество электроэнергии, закупаемой у электроснабжающей компании, на 15-25 %, увеличить надежность электроснабжения КС на 1-3 % Показано, что применение ДГА позволяет повысить эксергетический КПД ГПА ГТК-10-4 на 1,5 - 2%, при этом установка ДГА в системе топливного газа ГПА ГТК-10 приводит к сокращению расхода первичного условного топлива на перекачку суточной нормы природного газа по газопроводу диаметром 1220 мм на 2 т пут Определены электрические мощности ДГА, которые могут быть получены при внедрении установок на газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром»

Достоверность и обоснованность результатов обусловлены тем, что в основу работы положены обобщенные автором эксплуатационные данные и характеристики различных типов ГПА, применяемых в РФ, полученные автором при проведении испытаний на действующих компрессорных станциях ОАО «Газпром», а также применением современных методов термодинамического и технико-экономическою анализа и статистической обработки эксперимента

Автор защищает:

- схему установки на базе ДГА, работающего в системе топливного газа ГПА на компрессорной станции в системе транспорта газа, с использованием теплоты отходящих газов газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом,

- математическую модель, алгоритм и аппроксимирующие зависимости, описывающие работу ДГА в системе топливного газа газоперекачивающего агрегата,

- полученные результаты исследования влияния режимов работы оборудования на технико-экономические показатели и бесперебойность работы комплекса «ГПА-ДГА» и компрессорной станции в целом,

- результаты технико-экономического и термодинамического анализа схемы установки на базе ДГА при различных условиях ее работы,

- полученные в работе данные об электрических мощностях ДГА, которые могут быть получены при внедрении ДГА на КС ОАО «Газпром»

Личный вклад автора заключается

- в обобщении и анализе эксплуатационных данных и характеристик различных типов ГПА при проведении промышленных испытаний на действующих компрессорных станциях ОАО «Газпром»,

- в анализе и обобщении данных об аварийном электропотреблении газоперекачивающих агрегатов,

- в разработке схемы установки для получения электроэнергии на базе ДГА, работающего в системе топливного газа ГПА, с использованием теплоты отходящих газов газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом,

- в разработке математической модели комплекса «ГПА-ДГА», алгоритма, получении аппроксимирующих зависимостей, описывающих работу ДГА в системе топливного газа газоперекачивающего агрегата,

- в оценке влияния условий работы и типов ГПА на эффективность применения ДГА,

- в проведении технико-экономического и термодинамического анализа работы ДГА в системе топливного газа ГПА в различных условиях работы оборудования и КС

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены на Научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», декабрь 2003 г, Екатеринбург, на Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, март 2006 г, Москва, на Третьей всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» 21-29 сентября 2006 г., Москва

Основное содержание работы изложено в 8-ми публикациях, в том числе в одной статье в реферируемом журнале из перечня ВАК и описании патента на полезную модель

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы, дана ее общая характеристика В первой главе на основе анализа научно-технической литературы дается краткое описание возможных методов потезного использования избыточного давления транспортируемого природного газа, приводится описание возможных способов подогрева газа в детандер-генераторных установках Показано, что вопрос выбора системы подогрева газа в ДГА (схемы подогрева и источники теплоты) является одним из важнейших Приведено краткое описание схем реально работающих установок на ГРС и ГРП промышленных предприятий, электростанций и газораспределительных сетей, как в нашей стране, так и за рубежом Рассматривается вопрос целесообразности применения ДГА на компрессорных станциях в системе транспорта газа Здесь же показано, что на настоящий момент вопрос применения ДГА в системе топливного газа практически не изучен, не произведена оценка данных об электрических мощностях ДГА, которые могут быть получены при внедрении ДГА в газотранспортной промышленности РФ, не рассматривалась совместная работа ГПА и ДГА в неноминальных режимах Завершается первая глава определением цели исследования и тех задач, которые должны быть решены для достижения поставтенной цели

Во второй главе диссертационной работы приводится описание разработанной схемы ДГА, установленного в системе топливного газа газоперекачивающего агрегата, обобщение исходных данных и исследование работы установки в номинальном режиме На рисунке 1 приведена схема установки

1 - газоперекачивающий агрегат, 2 - теплообменник предварительного подогрева газа, 3 -трубопровод высокого давления, 4 - трубопровод низкого давления, 5 - детандер, 6 -генератор, 7 - дросселирующие устройство

Применение теплообменника-утилизатора (обозначен на схеме цифрой 2) на ГПА при традиционном способе (рисунок 2-а) установки приводит к уменьшению мощности ГТУ По данным производителя теплообменников-утилизаторов (ЗАО «Ухтинский Экспериментальный Механический Завод», г Ухта) был составлен типоряд аэродинамических сопротивлений

теплообменных аппаратов, используемый в расчете

На рисунке 3 представлена зависимость падения мощности ГТУ ГПА от аэродинамического сопротивления теплообменника-ути тизатора

При сопротивлении теплообменного аппарата меньше 20 Па (для ГТК-10, использованы данные испытаний), меньше 17 5 Па (для ГТК-10, использованы

паспортные данные), меньше 16 Па (для ГГ1А-Ц-16) и меньше 15 Па (для ГТК-_

25) при установке его в существующем газоходе газоперекачивающего агрегата (рисунок 2-а) его применение не приводит к падению мощности ГТУ

Выходом из сложившейся ситуации может быть применение следующей конструктивной схемы расположения теплообменника-утилизатора, представленной на рисунке 2-6

Рисунок 2

£ 0 02

-Радение мощности ГТУ

— -Мдгэ-'!чглз для

ГТК Юподанны испытаний

— Мдга/Нгпадпя ГПА Ц 16

— Мдга/Мгпа для

ГТК 25

— МдгаМтадля ГТК 10 по паспор-ным данным

Схема расположения

теплообменника-утилизатора а

Стандартная, б Не приводящая к уменьшению мощности ГТУ, 1 Теплообменник-утилизатор теплообменника-утили

15 20 25 30

Аэродинамическое сопротивление теплообменника, Па

Рисунок 3 - Зависимость падения мощности ГТУ ГПА от аэродинамического сопротивления теплообменника-утилизатора

Для определенности численные исследования проводились при условиях, близких к условиям существующих КС юга РФ Влагосодержание природного газа в диапазоне температур от -10 до + 30 °С и давления газа от 0 5 до 8 МПа при его транспортировке изменяется в пределах от 0 05 до 6 г/м3 При расчетах влияние влажности газа не учитывалось, как пренебрежимо малое вследствие осушки природного газа перед его транспортировкой

На рисунке 4 приведены зависимости отношения мощности ДГА к мощности ГПА от температуры газа на выходе из теплообменника-утилизатора для ГПА, мощностью 4 4 МВт, 6 3 МВт, 10 МВт, 16 МВт и 25 МВт

Температ>рага*анавыходзизтеплоо5«енн.1ка /шлщатсра, с

Рисунок 4 - Зависимости отношения мощности ДГА к мощности ГПА от температуры газа на выходе из теплообменника для газоперекачивающих агрегатов ГТ-700-5, ГПА-Ц-б З1,

ГТК-10-4, ГПА-Ц-16 и ГТК-25-И 1 - Паспортные значения расхода топливного газа ГПА-Ц-6,3 разнятся в зависимости о г источника информации На i рафике зависимости приведены результаты расчета с использованием различных значений

Из диаграммы, представленной на рисунке 4, видно, что, например, для ГПА ГТК-10-4 с ростом температуры газа на выходе из теплообменника-утилизатора (с 75 до 150 °С) возрастает отношение Ндгд/Мгпа (с 0,011 до 0,014) Прирост мощности за счет увеличения температуры топливного газа на входе в детандер составляет 32 кВт

Исследования, проведенные В С Агабабовым, показали, что для КЭС при расширении в детандере полного расхода газа, необходимого для работы электростанции в номинальном режиме, мощность ДГА составляет около 1 % мощности КЭС Расчеты проводились для температуры газа перед детандером, равной 80 °С Исследования показали, что для ГТУ при прочих равных условиях данный показатель выше, чем при установке ДГА на КЭС, на 0,1 % Разница значений отношений мощности ДГА к мощности КЭС и мощности ДГА к мощности ГТУ объясняется разницей КПД КЭС и КПД ГТУ

По результатам расчетов, для давления газа на выходе из детандера 21 бар и температуры газа на входе в детандер 150 °С, была построена зависимость мощности ДГА от мощности ГПА для всего модельного ряда существующих ГПА при номинальном режиме работы (рисунок 5-а)

Был предложен симплекс, наиболее полно характеризующий совместную работу установок

¿ = КДГА ЛГПА (1)

где Nfca - мощность детандер-генераторного агрегата, кВт, Чгпа - КПД газотурбинной установки ГПА

На рисунке 5-6 приведена зависимость 5 от мощности ГПА

4 < 6 •> 8 9 10 11 12 13 14 15 1« 17 11 19 20 21 22 23 24 21 2 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Г 23 24 !5 21

'Мощность ГПА, МВт Мощность ГПА, МВт

а б

Рисунок 5 а - Зависимость мощности ДГА от мощности ГПА полученная для ГПЛ, применяемых в РФ, 5 б - Зависимость симплекса 6 от мощности ГПА, полученная для ГПА,

применяемых в РФ

Полученная аппроксимирующая зависимость позволяет оценить мощность ДГА, установленного в системе топливного газа КС, в зависимости от мощности ГПА Данная зависимость учитывает КПД ГПА, для которого производится расчет

Хдгл Цтл = —0.061 ■ +6 3589Л^/7М -14 907 (2)

где Мгт - мощность 1 азоперекачивающего агрегата, кВт

Была проведена оценка возможной выработки электроэнергии для ряда газотранспортных организаций РФ при установке ДГА на КС В основу расчета энергосберегающего эффекта от внедрения ДГА, установленного на линии топливного газа ГПА, были положены данные, полученные в ходе проведения энергетических обследований предприятий ОАО «Газпром»

В результате расчета были получены значения мощности, применительно к газотранспортным организациям в целом, при установке ДГА на каждой КС указанных организаций Для газотранспортной организации №1 установленная электрическая мощность ДГА составляет 15,7 МВт, а для газотранспортной организации №2 - 20,7 МВт

Предварительная оценка показала, что при установке ДГА на всех КС, расположенных на территории европейской части РФ, суммарная электрическая мощность ДГА может составить около 170 МВт

В третьей главе произведено численное исследование работы комплекса «ГПА-ДГА» при изменении мощности ГПА в рабочем диапазоне

Были рассмотрены режимы работы комплекса «ГПА-ДГА» как для давления газа на выходе из детандера 31 бар, так и для давления 21 бар Они были приняты как номинальные, и далее была рассчитана работа таких установок с неполной загрузкой Был произведен расчет работы одной установки ДГА с

давлением газа на выходе из детандера 31 бар Данный режим был принят как переменный режим работы установки

По известным характеристикам работы ГПА (заводской зависимости расхода топливного газа Grr от мощности ГПА Nrrм и известному давлению топливного газа на номинальном режиме Pi г) в диапазоне регулирования мощности ГПА от 70 до 105 % с шагом 5 % при помощи формулы Фчюгеля было пересчитано новое значение давления газа перед детандером

На рисунке 6 приведены зависимости отношения мощности ДГА к мощности ГПА от расхода топливного газа ГПА ГТК-10-И для различных давлений

Z о О14

0 85 0 95 105

Относительная мощность ГИ4

-•-Подогрев до 7} С -"Подогрев до 12 5 с

-•-Подогрев до 100 С -«-Подогрев до 150 С

0 о б< 0 95

Относите тьияя мощность ГП А

•■Подогрев до Ъ С »-Подопчвдо 12S с

"Подогрев до 100 С | ►-Поюгрев nl'OCl

Рисунок 6 -Зависимость отношения мощности ДГА к мощности ГПА от относительной мощности ГПА при давлении газа на выходе из детандера 21 бар (6-а) и 31 бар (6-6)

Мощности ДГА, установленного на линии топливного газа ГПА ГТК-10-И, лежат в диапазоне от 57 до 136 кВг при давлении топливного газа 31 бар и от 84 кВт до 185 кВт при давлении топливного газа 21 бар Для давления газа РВы\ = 21 бар разница мощностей ДГА при подогреве газа до температуры 70 °С и 150 °С для режима с нагрузкой 70 % составляет 16 кВт, а для мощности выше номинальной - 41 кВт (допускается кратковременная работа ГПА на режиме на 5 % больше номинального, не более 200 часов в год)

Для ГПА ГТК-10-И были получены аппроксимирующие зависимости, описывающие изменение отношения мощности ДГА к мощности ГПА от изменения относительного расхода топливного газа ГПА Так для температуры газа на входе в детандер 150 °С

Р = 21 бар ^- = 0,0223 —0,0049 (i?2 =0,9998) (3)

Nrni Gmji ом

P = 31 бар —^- = 0,0182 —0,0055 (я2 = 0,9997), (4)

где R2 - величина достоверности аппроксимации, Gmz - расход топливного газа, м3/ч,

Gmz„ом - расход топливного газа при работе ГПА на номинальном режиме, м3/ч,

В таблице 1 приведены результаты численного исследования работы комплекса «ГПА-ДГА» при изменении мощности газоперекачивающего агрегата Анализ таблицы показывает, что минимальная мощность ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА, при данных условиях и при минимальной нагрузке (N = 07 >?ном) составляет 27 94 кВт (ГТК-5, Ища = 4 МВт), а максимальная - 184,1 кВт (ГТК-25-И, >?гпа = 25 МВт) Для режима работы с мощностью больше номинальной данные значения составляют 50,51 и 314 кВт соответственно

Таблица 1 - Мощности ДГА, установленного на линии топливного газа ГПА

(Давление на выходе из детандера 21 бар)

ГПА Мощность при подогреве до температуры, кВт

75 иС 100 "с 125 UC 150UC

Мгпа, % Nrn* % Мгла % Nfim, %

70 100 105 70 100 105 70 100 105 70 100 105

П -700-5 28 09 49 79 50 78 30 56 54 2 55 43 33 06 58 78 60 01 35 45 60 27 64 62

ГТК-5 27 94 47 16 50 51 30 39 51 5 55 13 32 88 55 68 59 68 35 26 59 95 64 27

ГПА-Ц-6 3 33 77 57 61 05 36 74 622 66 64 39 75 67 3 72 14 42 62 72 46 77 69

ГТН-6 43 29 73 07 78 26 47 09 79 7 85 41 50 95 86 27 92 47 54 63 92 88 99 58

ГТ-6-750 41 3 69 7 74 56 44 92 76 4 81 48 48 6 82 89 88 2 52 11 88 6 94 99

Г1 -750-6 36 69 6193 66 32 39 91 67 6 72 39 43 18 73 11 78 37 46 3 78 72 84 4

ГТК-10-4 71 07 114 121 5 77 71 125 4 133 4 84 23 136 1 145 90 81 146 8 156 5

ГТК-10-И NP 84 4 135 4 144 2 92 28 148 6 1584 100 0 161 5 172 2 107 8 174 3 185 9

ГТН-Ю-И 82 52 132 4 141 90 23 145 3 154 8 97 8 157 9 168 4 105 4 170 4 181 7

ГТК-10 2 73 4 117 8 125 5 80 3 129 3 137 8 87 03 140 6 149 9 93 83 151 8 161 8

Коберра-182 99 6 159 170 2 108 9 175 4 186 9 1180 190 6 203 2 127 2 205 7 2193

ГТК-16 131 7 211 3 225 1 144 231 9 247 1 156 1 252 2 268 7 168 2 271 9 290 0

ГПА 16-02 93 6 150 1 159 9 102 3 164 8 175 6 1109 179 1 191 1196 193 3 206 1

ГПА-Ц-16 123 4 198 2 211 I 134 9 2174 231 8 146 2 236 3 252 157 6 255 272

ГТН-25 165 8 266 1 283 4 181 3 292 3112 196 5 3174 338 4 211 9 342 5 365 3

ГТК-25И 1841 294 9 314 201 3 323 3 3449 2182 352 375 1 235 3 379 8 405

ГТК-25ИР 137 8 220 7 235 150 6 242 3 258 1 163 3 263 4 280 7 176 1 284 3 303 1

Результаты расчета переменного режима работы детандера по давлению (31 бар) в зависимости от мощности для ГПА ГТК-10-И приведены на рисунке 7

Í5 70 75 «5 ÍS т в! 100 ( 05 110 Относительная мошностъ'ГПА, % I -«-Т=75С ч-Т'ЮОС -*-Т=125С -*-Т-150С~] Рисунок 7 - Зависимость отношения мощности ДГА к мощности ГПА от относительной мощности ГПА при давтении газа на выходе из детандера 31 бар

Из рисунка 7 видно, что мощность ДГА меняется в пределах от 60 до 110 кВт при температуре газа на входе в детандер 75 °С и от 77 до 142 кВт при температуре газа на входе в детандер 150 °С

Для ГПА ГТК-10-И были получены аппроксимирующие зависимости, описывающие изменение отношения мощности ДГА к мощности ГПА от изменения относительного расхода топливного газа ГПА Так, для температуры газа на входе в детандер 150 °С

N С

-^- = 1,864 -^—54,073 (i?2 =0,9998) (5)

^ГПА Gm„aa

В четвертой главе приведены результаты промышленных испытаний газоперекачивающего оборудования В общей сложности испытания проводились на 9 компрессорных станциях юга РФ в летние и зимние режимы работы на различных типах газоперекачивающего оборудования (ГТК-10-И, ГТК-10-4, ГПА-16-02, ГПА-Ц1-16С/76-1,44М1 и др )

Измерения расхода топливного газа, давлений перекачиваемого и топливного газа, состава уходящих газов выполнялись при помощи штатных стационарных измерительных приборов, комплексов для технического учета газа и портативных приборов энергоаудиторской фирмы

Для подтверждения достоверности результатов экспериментальных исследований был применен статистический метод их обработки, основанный на дисперсионном анализе Конечной целью выполняемого анализа результатов эксперимента являлось определение доверительного интервала для значений расхода топливного газа Gxr (м3/ч) (как наиболее важного параметра для расчета ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА)

Минимальное значение среднеквадратичного отклонения всех серий экспериментов составляет 4 %, а максимальное значение - 16 %

В качестве основного показагеля энергоэффективности ГПА рассматривался его КПД, определяемый из выражения

1 =Лгту V, (6)

где Vm -КПДГТУ,

т]„ - политропный КПД нагнетателя,

Значения КПД ГПА, рассчитанные по результатам испытаний, лежат в диапазоне от 12 до 36 %, в зависимости от типа ГПА и режима работы оборудования

Низкие значения КПД газоперекачивающих агрегатов, полученные при проведении испытаний, объясняются состоянием оборудования (КС №4-6), а также работой в нерасчетных режимах с уменьшенной нагрузкой (КС №7) Данные, полученные в результате испытаний ГПА, указывают на необходимость использования при расчете мощности ДГА «действительных» данных

На рисунке 8 приведено обобщение результатов расчета ДГА, полученных с использованием данных испытаний На рисунке показана расчетная зависимость симплекса «Ида-д т|ГПА» от мощности ГПА

А -Испытания ГТК 10-11 а - Наштапкя ГТк-23-И

я -ИсннтапяяГ1Ж'10-4

♦ - Испытания Г11А-16412 "Урал"

• - Испытания ПИ-11-16

Рисунок 8 - Обобщение результатов расчета ДГА, полученных по данным испытаний ГПА

Анализ показывает, что результаты расчета ДГА при помощи предложенного симплекса подтверждаются результатами расчетов, в основу которых положены опытные данные Из рисунка видно, что результаты расчета, полученные по данным испытаний ГПА-16-02 «Урал», выпадают из общей зависимости По нашему предположению, это объясняется тем, что «Урал» - ГПА нового поколения, имеющие более высокий КПД (36 %), и меньший по сравнению с другими ГПА расход газа Кроме того, эти агрегаты работали на режимах наиболее приближенных к номинальному по сравнению с другими агрегатами

Расчеты показали, что для машин мощностью 10 МВт результаты, полученные при помощи данного симплекса, наиболее точно соответствуют результатам расчета ДГА

В пятой главе приведены результаты исследований бесперебойности электроснабжения ГПА за счет применения ДГА в системе топливного газа, оценки надежности работы установки

Под бесперебойным электроснабжением ГПА понимается такой режим работы ДГА, когда электроэнергии, вырабатываемой на ДГА, достаточно для поддержания нормальной работоспособности работающего ГПА при отключении внешнего электроснабжения, однако данной мощности не достаточно для пуска ГПА

Автором произведено обобщение данных о потребление электроэнергии газоперекачивающими агрегатами при работе в «аварийных» режимах.

Полное электропотребление ГПА ГТК-10-И составляет 220 кВт. Минимально необходимый уровень электропотребления агрегатов ГТК-10 для поддержания их работы при отключении внешнего электроснабжения составляет 83 кВт. На рисунке 9 приведены зависимости мощности ДГА от мощности ГПА для давления 21 и 31 бар соответственно. На графики нанесены линии соответствующие потребности в электроэнергии при аварийном отключении внешнего электроснабжения - минимальной (сплошная линия) и полной, за исключением пускового двигателя (пунктирная линия).

Мощность ГПА. МВт С -«-¡ООС -*-125С -»-150С

Мощность ГПА, МВт •-75С -*-100С -М25 С -*-150С

Рисунок 9 - Зависимость мощности ДГА для ГТК-Ю-И от мощности ГПА при давлении газа на выходе из детандера 21 бар (9-а) и 31 бар (9-6)

Определены области параметров топливного газа при которых может быть обеспечена работа ГПА при отключении внешнего электроснабжения.

На рисунках 9-а и 9-6 видны области, в которых с помощью ДГА обеспечивается бесперебойное электроснабжение для ГПА ГТК-Ю-И - при давлении газа на выходе из детандера 21 бар данное условие выполняется полностью, а при давлении газа на выходе из детандера 31 бар - в зависимости от уровня подогрева.

Анализ полученных результатов показывает, что для большинства ГПА большой и средней мощности (10 МВт и более) применение ДГА, установленного на линии топливного газа, позволяет достичь бесперебойного электроснабжения ГПА при отключении внешнего электроснабжения.

Так для агрегатов ГПА-Ц-16С, ГПА-Ц-16 и «Нева-25» полностью обеспечивается бесперебойный режим электроснабжения.

Электроэнергии, вырабатываемой на ДГА агрегатов ГПУ-16, ГПА-Ц-16Л и «Нева-16», достаточно для поддержания бесперебойного электроснабжения только при определенных условиях. Для ГПА «Нева-16» давление газа на выходе из детандера должно быть меньше или равно 25.5 бар.

Для газоперекачивающего агрегата ГПА-25-И мощности ДГА полностью достаточно для поддержания бесперебойной работы и при определенных условиях для пуска агрегата (при температуре газа на входе детандер 125 °С

давление за детандером должно быть меньше 24,5 бар, а при t = 150 °С -меньше 26 5 бар) Для агрегатов ГТН-16-М1 и ГТН-25-1 достигается полностью автономный от внешнего электроснабжения режим работы

Для оценки надежности электроснабжения ГПА была произведена оценка вероятности безотказной работы системы резервного электроснабжения на базе ДГА Проведение энергетических обследований газотранспортных предприятий юга РФ показало, что в среднем на газотранспортную организацию в течение года приходится около 8 часов полного прекращения электроснабжения от внешних источников В большинстве случаев данные отключения кратковременны и для отдельно выбранной компрессорной станции продолжительность полного разового отключения составляет 1-15 часа Наиболее частой причиной отключения электроснабжения является снегопад Поэтому для рассмотрения был выбран временной промежуток в 200 часов (как продолжительность длительного снегопада, препятствующего немедленному восстановлению обрывов ЛЭП) На рисунке 10 приведен обобщенный график зависимости вероятности безотказной работы от времени наработки для моделируемых ситуаций

»ю*

Ml

до.

0JÎ

FÇQAvÎ

с

tM

«W<

ел»

6145

m

ш

ÎJ)

,1

Рисунок 10 - Обобщенный график зависимости вероятности безотказной работы от времени наработки для моделируемых ситуаций

Из графика видно, что на момент времени 160 ч вероятность безотказной работы ДГА составит 94,6 % При более длительном периоде работы применение ДГА в качестве дополнительного источника позволяет повысить надежность электроснабжения ГПА на 1 - 3 %, по сравнению со случаем, когда электроснабжение осуществляется от двух ЛЭП

В шестой главе показано, что установка ДГА в системе топливного газа ГПА ГТК-10-И приводит к сокращению расхода первичного условного топлива на перекачку суточной нормы природного газа по газопроводу диаметром 1220 мм на 1,96 т п у т (при подогреве топливного газа на входе в детандер до 150 °С) при работе ГПА в номинальном режиме Годовая экономия первичного условного топлива при этом составляет 2030 т п у т

Произведен расчет изменения эксергетического КПД ГПА за счет применения ДГА в системе топливного газа ГПА При расчете эксергии в качестве параметров окружающей среды приняты То = 273,15 К и Ро = 1 бар На рисунке 11 представлена схема для расчета эксергетического КПД ГПА ГТК-10-4, в системе топливного газа которого установлен ДГА

Топштный га;

Уходящие _гта!

Эчолро-энергия

КС

Воздух

Полезная

Рисунок 11 - Схема для расчета эксергетического КПД ГПА ГТК-10-4, в системе топливного газа которого установлен ДГА

Эксергетический КПД системы определяется из общеизвестного уравнения

_ Цюмз + ~^ЭЛ1ЭН )

где Ь,те, - полезная работа, совершаемая в детандере, Л'м/м- электрическая мощность ГПА, £ы.эксергия потока вещества на входе в систему,

- эксергия потока вещества на выходе из системы, не включающая в себя полезную работу ЦЮ1ез

Показано, что применение ДГА позволяет увеличить эксергетический КПД ГПА ГТК-10-4 на 0,6 % с 70,7 до 71,3 % Применение ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА-16-02 «Урал», позволяет увеличить эксергетический КПД ГПА на 1,15 % с 88,42 до 89,57 %

Предложен метод, на основании которого проведена технико-экономическая оценка применения ДГА в системе топливного газа ГПА

Полученная аналитическая зависимость определяет разницу между затратами КС до и после включения ДГА

М = В„1зн+Вг (В)

где ЛЗ - разница между затратами КС до и после включения ДГА, Взв/ш - тариф на электроэнергию, Вг - тариф на газ, 0„тпг - затраты природного газа на подготовку топливного газа, Огту1 - расход топливного газа до внедрения ДГА, Сгту2 - расход топливного газа после внедрения ДГА

При оценке срока окупаемости установки было определено, что для ГПА ГТК-25-И цена оборудования (ДГА, система трубопроводов, теплообменник-утилизатор) составит 16,2 млн руб При этом годовая экономия денежных средств составляет 3,8 млн руб Срок окупаемости составит 4,2 года Для ГПА ГТК-10-4 примерный срок окупаемости ДГА составит около 5,3 лет

В таблице 2 представлен прогноз изменения срока окупаемости проекта для установки ДГА в системе топливного газа ГПА ГТК-25-И в зависимости от изменения тарифов на энергоносители и цен на оборудование

Таблица 2 - Прогноз изменения срока окупаемости, вызванного изменением тарифов на газ и электроэнергию для ГПА ГТК-25-И _

Текущее положение Пессимист ический вариант Оптимиста ческий вариант

Стоимость кВт установленной мощности ДГА, $ 1200 1400 1800

Коэффициент, учитывающий стоимость остального оборудования 1,8 2 25

Тариф на электроэнергию, руб /кВт ч 1 5 25 5

Тариф на природный газ руб /1000 м3 1000 2000 6000

Сокращение затрат, млн руб 3 8 65 13 3

Срок окупаемости, лет 42 32 25

Была получена математическая зависимость, описывающая изменение затрат КС на энергоресурсы от мощности ГПА вследствие применения ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА

АЗ--2 0246 М2гпа + 224 76 МП1А - 536 77 (л2 = 0,9991) (9)

Выводы

1 Разработана схема установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата при использовании технологического перепада давлений топливного газа и утилизации теплоты отходящих газов газоперекачивающего агрегата

2 Разработаны математическая модель и алгоритм расчета установки для производства электроэнергии на базе ДГА и теплообменника-утилизатора для подогрева природного газа Показано, что наиболее эффективно

применять ДГА на агрегатах мощностью более 10 МВт, при давлении топливного газа менее 25 бар и температуре топливного газа ботее 125 °С

3 Для различных типов ГПА средней и большой мощности при помощи численных исследований определены условия и режимы работы ГПА, при которых, в случае отключения внешнего электроснабжения, за счет применения ДГА можно полноаью или частично поддержать бесперебойную (для агрегатов ГПА-Ц-16С, ГПА-Ц-16, ГПУ-16, ГПА-Ц-16Л и «Нева-16») или обеспечить полностью автономную работу газоперекачивающего оборудования (для агрегатов ГТН-16-М1 и ГТН-25-1)

4 Автором на действующих газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром» проведены промышленные испытания газоперекачивающего оборудования, результаты которых положены в основу исследования Проведено обобщение паспортных и эксплуатационных данных и характеристик ГПА, собранных автором во время проведения промышленных испытаний ГПА, а также данных об аварийном электропотреблении газоперекачивающих агрегатов

5 Численные исследование влияния ДГА на надежность электроснабжения ГПА показало, что установка ДГА в системе топливного газа ГПА увеличивает вероятность безотказной работы КС, оснащенной двумя независимыми линиями электроснабжения, на 1 - 4 % Вероятность безотказного электроснабжения ГПА за счет ДГА при работе в течение периода восстановления внешнего электроснабжения составляет 94,6 %

6 Для четырех газотранспортных организаций произведена оценка электрических мощностей ДГА, которые могут быть получены при внедрении ДГА на газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром» в системе топливного газа ГПА Суммарные мощности ДГА. установленных на всех КС газотранспортных организаций, изменяются от 15 до 21 МВт Суммарная мощность ДГА, установленных на КС во всех газотранспортных организациях Европейской части РФ, составляет около 170 МВт

7 Показано, что применение ДГА в системе топливного газа ГПА ГТК-10-4 позволяет повысить эксергетический КПД ГПА с 70,7 до 71,3% При этом применение ДГА в системе топливного газа ГПА ГТК-10 приводит к сокращению расхода первичного условного топлива на перекачку суточной нормы природного газа по газопроводу диаметром 1220 мм на 1,96 т пут (при подогреве топливного газа на входе в детандер до 150 °С) при работе ГПА в номинальном режиме Годовая экономия первичного условного топлива при этом составляет 2030 т п у т

8 Предложен метод технико-экономической оценки эффективности работы ДГА, с помощью которого проведена оценка эффективности применения ДГА, установленного в системе топливного газа ГПА Установка ДГА позволяет существенно снизить затраты КС на энергоресурсы Так, для КС, оснащенной ГПА ГТ-700-5, затраты сокращаются на 650 тыс руб /год, а для КС, оснащенной агрегатами ГТК-25-И, на 4 млн руб /год, при работе комплекса в номинальном режиме При этом срок окупаемости установки

для ГПА ГТК-25-И составит 4,2 года Расчет срока окупаемости ДГА прогнозируемый период показывает, что срок окупаемости снижается до ' лет при росте тарифов на газ и электроэнергию

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Агабабов B.C., Гаряев A.A. Исследование работы ДГА, установленно в системе топливного газа газоперекачивающего агрегата Энергосбережение и водоподготовка. - 2008. - № 2. - С. 39-41.

2 Использование перепада давления газа для выработки электроэнергии / В Агабабов, А В Корягин, Е В Джураева, А А Гаряев. // Науч -практ кон «Рациональное использование природного газа в металлургии» Тез докл М, 2003 -С 43-45

3 Агабабов В С, Гаряев А А Применение детандер-генераторных агрегатов черной металлургии // Науч.-практ конф студентов, аспирантов и молод ученых «Энерго- и ресурсосбережение Нетрадиционные и возобновляем источники энергии» Тез докл -Екатеринбург 2003 -С 29-33

4 Гаряев А А, Соловьева Е С Применение детандер-генераторных агрегате (ДГА) в черной металлургии // Десятая Междунар науч -техн кон студентов и аспирантов Тез докл -М,2004 Т2 - С 364-365

5 Гаряев А А, Heymer J, Hubner Н Применение детандер-генераторнь агрегатов в металлургии // Тр второй всероссийской школы-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика -М Изд-во МЭИ, 2004 - С 250-253

6 Гаряев А А, Соловьева Е С Использование теплоты конвертерного газа ДГА-технологии // Тр второй всероссийской школы-семинара молоды ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» - М Изд-во МЭИ, 2004 - С 263-265

7 Патент на полезную модель №43630 РФ, МПК 7F 25В 11/02 Детанде генераторная установка / В.С Агабабов, А В Корягин, А А Гаряев и д (РФ) -Зс ил

8 Агабабов В С, Гаряев А А Оценка возможности применения ДГ работающего на топливном газе газоперекачивающего агрегата // Т третьей всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалист «Энергосбережение - теория и практика» - М . Изд-во МЭИ, 2006 - С 6 64

Подписано в печать f,6f, 0S>' Зак 9t Тир fût) Пл

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул, д 13

Список сокращений и обозначений.