Современное состояние применения турбодетандеров на газопотребляющих промышленных объектах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современное состояние применения турбодетандеров на газопотребляющих промышленных объектах

Д.т.н. Куличихин В.В.

1. Внедрение турбодетандеров за рубежом

В ряде промышленно развитых стран уже в течение длительного времени используется энергия избыточного давления природного газа, поступающего из магистральных трубопроводов к конечным потребителям через дроссельные устройства газораспределительных станций и пунктов (ГРС и ГРП, соответственно). Начиная с 1973 г в Европе (Германия, Нидерланды, Италия и др.), а также в США на работающих и вновь вводимых в эксплуатацию ГРС вместо дроссельных устройств устанавливаются турбодетандеры различной единичной мощности для привода электрических генераторов.

К 1997 г. общее число таких турбодетандерных установок уже составляло около 80 шт., а суммарная их мощность превышала 100 МВт. При этом число промышленно развитых и развивающихся стран, использующих турбодетандерную технологию, все время увеличивается и уже приблизилось к двадцати. В связи с возрастающими потребностями рынка номенклатура оборудования, предлагаемого различными фирмами-изготовителями постоянно увеличивается, а качество улучшается. Например, фирма Atlas Copco предлагает потребителям серию одно- и двухступенчатых турбодетандеров, различающихся степенью расширения.

2. Турбодетандеры в России

К сожалению, в России, имеющей большое количество магистральных газопроводов с давлением подаваемого газа до 6 МПа, существуют только единичные примеры использования турбодетандерной технологии на газопотребляющих объектах:

на ТЭЦ-21 и ТЭЦ-23 ОАО "Мосэнерго" установлено по два турбодетандера единичной мощностью 5 МВт (ОАО "Криокор");

на Средне-Уральской ГРЭС смонтирован турбодетандер мощностью 11 МВт (ОАО "Турбомо- торный завод");

на заводе "Сода" (г. Стерлитамак, Республика Башкортостан) установлен турбодетандер мощностью 1,5 МВт (ОАО "ТурбоДЭН").

Следует иметь в виду, что только в системе "Мострансгаз" насчитывается порядка 100 ГРС, на которых происходит процесс дросселирования с давления 3-6 до 1,2 МПа (промышленные потребители) или до 0,6 и 0,3 МПа (муниципальные потребители).

Таким образом, возможная величина суммарной генерирующей мощности в случае использования турбодетандеров для выработки электроэнергии оказывается достаточно ощутимой (около 1-2% установленной мощности всех электростанций России).

К настоящему времени отечественные заводы-производители авиационных и судовых газотурбинных двигателей, а также традиционные поставщики стационарного энергетического оборудования в состоянии производить турбодетандеры различной единичной мощности и конструктивных схем, которые могут быть поставлены заказчикам в течение 1-1,5 года после заключения контрактов. Так, например, ОАО "Калужский турбинный завод" имеет типоразмерный ряд турбодетандеров единичной мощностью 2,5; 4; 6 и 12 МВт.

3. Почему турбодетандеры широко не используются в нашей стране

турбодетандер отопительный электрический газопотребляющий

Таким образом, в нашей стране есть и крупные магистральные газопроводы, и многочисленные конечные потребители газа, и заводы-производители необходимого турбодетандерного оборудования, но отсутствует широкое его внедрение. Попытаемся установить причины такой, странной на первый взгляд, ситуации. Очевидно, что разработанные на отечественных заводах-изготовителях турбодетандеры имеют слишком большую единичную мощность и предназначены в основном для крупных тепловых станций и отопительных котельных.

Выполненные на кафедре ПТС МЭИ (ТУ) расчеты показали, что при расходе природного газа 1 тыс. нм3/ч, температуре газа на входе в турбодетандер 100 ОС, давлении газа перед и за турбодетандером 1,2 и 0,2 МПа соответственно и КПД турбодетандера 80% его мощность составляет примерно 50 кВт. Очевидно, что для получения более значимой мощности турбодетандера, например, 0,5 или 1 МВт, требуется, чтобы расход природного газа составлял 10 и 20 тыс. нм3/ч соответственно.

С целью обеспечения надежности работы газопотребляющего оборудования конечных потребителей обычно рекомендуется пропускать через турбодетандеры не весь поступающий к потребителю газ, а только около 30% расхода, остальная часть расхода по- прежнему направляется к потребителю через дроссельные устройства ГРС и ГРП. Исходя из этого, номинальный расход природного газа к конечному потребителю для турбодетандера мощностью 0,5 МВт должен составлять примерно 33 тыс. нм3/ч, а для турбодетандера мощностью 1 МВт - около 66 тыс. нм3/ч.

Для большей мощности турбодетандера требуются еще большие расходы природного газа, которые характерны только для достаточно крупных тепловых электростанций и отопительных котельных. Однако, конечных потребителей с постоянным расходом природного газа на данном уровне существенно меньше, чем более мелких. Поэтому отечественным заводам-изготовителям необходимо разработать турбодетандеры меньшей единичной мощности, чем они предлагают потребителям в настоящее время.

Оценивая возможности получения значительной электрической мощности путем срабатывания избыточного давления природного газа в турбодетандерах, некоторые авторы умышленно или неосознанно забывают о том, что турбодетандер представляет собой один из типов тепловой машины (расширительной проточной турбины), эффективность использования и мощность которой определяется не только давлением (что имеет место у турбодетандеров, использующих природный газ из магистральных трубопроводов или на ГРС и ГРП), но и начальной абсолютной температурой природного газа перед ней.

Однако природный газ, поступающий к конечным потребителям, имеет достаточно низкую температуру, которая в летний период обычно составляет 10 ОС, а в зимний - около 0 ОС. Поэтому с целью повышения мощности турбодетандера требуется подогрев природного газа перед ним. Простой расчет показывает, что при подогреве природного газа на входе турбодетандера до 50 и 100 О С его мощность возрастает лишь на 18,3 и 36,6% соответственно, по сравнению с вариантом, когда эта температура составляет 0 ОС. То есть мощность турбодетандера возрастает не пропорционально затраченной на подогрев природного газа тепловой энергии.

Более того, необходимость наличия источников тепла для подогрева природного газа на входе в турбодетандер существенно ограничивает объем его применения, усложняет схему вследствие введения в нее теплообменного оборудования с необходимыми для подачи теплоносителя трубопроводами и насосами.

В литературе различными авторами предлагаются разнообразные источники и схемы для повышения температуры природного газа перед турбодетандером, например, с помощью прямой или обратной сетевой воды тепловой сети, пара из отборов паровой турбины, дымовых газов отопительных или энергетических котлов, использования тепловых насосов и т.д. Но очевидно, что надстройка турбодетандера дополнительными агрегатами, устройствами и механизмами увеличивает стоимость комплектной турбодетандерной установки, усложняет ее эксплуатацию и в существенной степени снижает эффективность ее использования. Все эти обстоятельства отпугивают потенциальных потребителей турбодетандерного оборудования, хотя оно и имеет положительное качество, заключающееся в возможности производства электрической энергии без сжигания дополнительного топлива, а, следовательно, и без выброса продуктов его сгорания и теплового загрязнения окружающей среды.

В случае отсутствия подогрева природного газа перед турбодетандером, наряду с понижением его мощности, использование энергии сжатого природного газа в нем приводит к нежелательному для эксплуатации турбодетандера понижению температуры на выходе из него ниже "точки росы". При этом возникает конденсация паров воды, которая содержится в природном газе, образование жидких пробок, выпадение опасных смолообразных гидратов и другие опасные эффекты в трубопроводах, передающих газ к конечным потребителям.

Так, например, расчеты для турбодетандера, параметры которого здесь не приводятся, показали, что при отсутствии подогрева природного газа на входе, температура на выходе из турбодетандера будет составлять -71 ОС. Поэтому с целью уменьшения опасности возникновения этих эффектов целесообразно турбодетандер устанавливать в непосредственной близости от газопотребляющих установок, что не всегда возможно по габаритным соображениям.

Оценка количества тепла, необходимого для подогрева природного газа перед турбодетандером с целью обеспечения конечной температуры за ним, удовлетворяющей правилам эксплуатации, показывает, что оно сопоставимо с получаемой в турбодетандере электрической мощностью. Так, испытания турбодетандера единичной мощностью 5 МВт на ТЭЦ-21 ОАО "Мосэнерго" показали, что для выработки 1 МВт электрической мощности требуется 1,15-1,2 МВт тепловой мощности. Следовательно, утверждения некоторых авторов о том, что использование турбодетандеров позволяет получить электроэнергию практически "из ничего", носят скорее рекламный, чем объективный характер.

В связи с изложенным, одним из условий эффективного применения турбодетандеров на газопотребляющем промышленном объекте является наличие собственного источника тепловой мощности для подогрева природного газа перед турбодетандером. В частности, для этой цели могут быть использованы "тепловые отходы" систем теплоснабжения жилого сектора и предприятий на отопительных котельных. Очевидно, что использование покупной тепловой энергии, цена которой постоянно растет, уменьшает эффективность турбодетандерных установок. Этот вывод относится также и к предложениям об использовании тепловых насосов, стоимость которых в ряде случаев может составлять значительную долю стоимости самого турбодетандера.

Следует также остановиться на некоторых вопросах использования турбодетандеров на отопительных котельных и тепловых электростанциях, на которых потребление природного газа составляет от нескольких десятков до нескольких сотен нм3/ч. Внедрению турбодетандеров на отопительных котельных, в том же числе, препятствует отсутствие специалистов-турбинистов, что требует создания отдельного цеха или подразделения, отсутствие инфраструктуры для передачи избытков производимой электроэнергии в электрическую сеть.

Таким образом, внедрению турбодетандерных установок в отопительных котельных должна предшествовать проработка достаточно сложных вопросов. Казалось бы, что эти вопросы решены на крупных тепловых электростанциях, имеющих необходимые кадры и инфраструктуру, но и у их владельцев отсутствует заинтересованность во внедрении турбодетандеров, поскольку генерируемая ими электрическая мощность составляет обычно менее 1% от установленной на тепловой электростанции мощности.

Остается надеяться, что принятый сравнительно недавно Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности..." создаст необходимые предпосылки для широкого использования энерго- и ресурсосберегающих технологий и будет способствовать внедрению турбодетандеров на газопотребляющих предприятиях различного назначения, мощности и собственности.

Размещено на Allbest.ru