Применение детандер-генератора для повышения ресурсоэффективности газораспределительной станции магистрального газопровода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение детандер-генератора для повышения ресурсоэффективности газораспределительной станции магистрального газопровода

В.О. Патракеев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

Аннотация

Научная работа посвящена исследованию детандер-генераторной технологии обеспечивающей ресурсоэффективность газораспределительной станции малой производительности. Целью работы является выбор наиболее оптимального детандер-генераторного агрегата для использования потенциала природного газа при редуцировании на газораспределительной станции. Для достижения поставленной цели был произведен аналитический обзор применения детандер-генераторной технологии на газораспределительных станциях, был выбран оптимальный детандер-генераторный агрегат на основе технико-эксплуатационных показателей, произведен расчет мощности детандер-генераторного агрегата в зависимости от сезонности газопотребления на газораспределительной станции и расчёт срока окупаемости внедрения детандер-генераторного агрегата.

Ключевые слова - магистральный газопровод, газораспределительная станция, детандер-генераторный агрегат

Введение

В процессе понижения давления газа на газораспределительной станции (ГРС) происходит потеря потенциала полезной энергии. Особенно наиболее выражен этот процесс на ГРС малой производительности, вследствие их большого количества [1]. Поэтому, выбор новых технических решений и технических средств, позволяющих предотвратить безвозвратно теряемый потенциал является актуальной проблемой для любого газотранспортного предприятия

Целю работы является выбор оптимального детандер-генераторного агрегата (ДГА) для использования потенциала природного газа при редуцировании на ГРС.

Для выполнения цели, были поставлены следующие задачи:

1. Аналитический обзор применения детандер-генераторной технологии на ГРС.

2. Выбор оптимального детандер-генераторного агрегата на основе технико-эксплуатационных показателей.

3. Расчет мощности ДГА в зависимости от сезонности газопотребления на ГРС.

4. Расчет срока окупаемости внедрения ДГА на ГРС.

В качестве объекта исследования была выбранная ГРС располагающаяся в с. Чажемто Томского области, на магистральном газопроводе «Парабель-Кузбасс».

Теория

Согласно научно-технической литературе [2-4], газотранспортная система включает в себя связанные между собой газопроводы и различные технологические сооружений, предназначенной для обеспечения газом потребителей. Одно из важнейших сооружений в газотранспортной сети является ГРС, основной задачей которой является снижение и автоматическое поддержания давления на заданной величине (редуцирование).

Редуцирования газа является процессом при котором изменяются характеристики газовой смеси (давление, температура, энтропия и энтальпия). Данный процесс является необратимым (энтропия системы увеличивается) и это приводится к уменьшению системы производить работу, т.е. безвозвратно теряется потенциал энергии природного газа [5].

На рассматриваемой ГРС, имеющий тип «Урожай-20», редуцирование идёт через стандартные регуляторы давления на два продукционных трубопровода в с. Чажемто и в с. Колпашево.

При внедрении в схему детандер-генераторного агрегата (рис.1) данный потенциал можно преобразовать в полезно используемый ресурс.

Рис. 1. Схема детандер-генератоного агрегата

В результате анализа литературного обзора, среди множеств ДГА применимых для использования на ГРС малой производительности, наиболее приемлемыми являются два ДГА. На рисунке 2 представлен ДГА «ТДА-СРТ» [6], его специфика заключается в дросселировании газа через тяговые каналы рабочего колеса, тем самым создаётся вращение вала и механическая работа генератора.

Второй ДГА «ТурбоСфера» [7] представлен на рисунке 3, его специфика заключается в многоступенчатом дросселировании газа по круговой спирали через каналы теплообменника. Газ движется по спирали и совершает преобразование потенциальной энергии в механическую энергию вращения рабочего колеса электрогенератора.

Рис. 2. ДГА «ТДА-СТ» поизводства ООО «Флуитексистемз»: 1- подводящее сопло(ПС); 2-входной диффузор; 3-ротор турбины с рабочим колесом; 4- тяговые каналы рабочего колеса; 5- генератор; 6-выход рабочего тела низкого давления

детандер генераторный газораспределительный станция

Рис. 3. ДГА «ТурбоСфера» производства ООО «Турбоэнерджи»

Проведенный литературный анализ позволил нам определить основные параметры, на основе которых можно сделать вывод о том, что габаритные размеры «Турбосфера» намного меньше размеров «ТДА-СРТ», что облегчает внедрение данного агрегата на ГРС. Помимо габаритных размеров ДГА к преимуществам Турбосферы можно отнести следующие параметры:

· Уникальность подвода теплоты непосредственно к корпусу агрегата, что позволяет исключить затрат на внедрение дополнительных подогревателей газа (ПГ);

· Возможность работать в широком диапазоне расходов и давлений, что упрощает внедрения данной технологии на ГРС различной производительности.

Результаты

Следующим этапом переедём непосредственно к расчёту мощности ДГА производимые по методике Мальханова [8].

Определим индивидуальную газовую постоянную R, кДж/кг·K, для газовой смеси природного газа:

где Мсм - молекулярную массу газовой смеси, кг/кмоль; Мсм=16, 34 кг/кмоль;

R0 - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K); R = 8,314 Дж/(моль·K).

Определим перепад энтальпии при адиабатическом процессе расширения газа, HАД, кДж/кг, в детандер-генераторе:

Где k- коэффициент адиабаты для ДГА «Турбосфера»; k =1,23

R - индивидуальная газовая постоянная, Дж/кг·K; R=508,8 Дж/(кг·К);

T - температура газа на входе в ДГА, К; 288 К;

Pвх - давление газа на входе в ДГА, МПа; Pвх = 5,5 МПа;

Pвых - давление газа на выходе из ДГА, МПа; Pвых = 1,2 МПа.

Определим массовый расход природного газа G, через ГРС, кг/с:

Где Qк - расход газа по нитке редуцирования на с. Колпашево, м3/ч; Qк=20000 м3/ч;

?см - плотность газовой смеси, кг/м3; ?см=0,73 кг/м3.

Определим номинальную располагаемую мощность ГРС «Урожай-20» NДГА, кВт, которая может быть получена при помощи ДГА «Турбосфера»:

Где G - массовый расход природного газа, кг/с; G=4,05 кг/с;

HАД - плотность газовой смеси, кДж/кг; HАД=103,5 кДж/кг;

? - общий КПД ДГА «Турбосфера», ?=0,36.

В результате расчета, при номинальном расходе природного газа (20 тыс. м3/ч) в направлении с. Колпашево, максимальная мощность, которая может быть получена при помощи ДГА «Турбосфера» составляет 304,5 кВт·ч

Обсуждение

Так как в реальных условия эксплуатации, потребления газа различно в зависимости от сезона, и практически никогда не достигает пропускной способности 20 000 м3/ч, то дальнейшие расчеты будем проводить конкретно с учётом условии динамики сезонности газопотребления (таблица 1).

Таблица 1. Пропускная способность ГРС типа «Урожа-20»

По данным пропускной способности ГРС «Урожай-20» в зависимости от сезона за 2017 год, была постоянная графическая зависимость количества вырабатываемой электроэнергии в час от сезона за 2017 год (рис.4).

Мы видим, что независимо от месяца газпотребления, количество вырабатываемой электроэнергии ДГА «Турбосфера» превышает нужды электроэнергии ГРС (красная линия), даже в летний период эксплуатации, когда расход газа минимален.

Рис. 4. Количество вырабатываемой электроэнергии ДГА «Турбосфера»

Можно сделать вывод о том что, ДГА «Турбосфера» может обеспечивать электроэнергией ГРС круглый год, а при больших расходах газа с сентября по май мы видим переизбыток, и появляется возможность обеспечить электроэнергией часть промышленной площадки этого же предприятия. Из этого следует что ДГА «Турбосфера» эффективна исходя из малого газопотребления.

Затраты на внедрение ДГА представлены в таблице 2. Основные затраты приходятся на сам агрегат, на материалы и оборудования, а также на сторонние работы проводимые заводом изготовителем

Таблица 2. Сметная стоимость основных работ

Исходя из количества вырабатываемой мощности ДГА и тарифа на электроэнергию в Томской области (2,28 руб./ кВт·ч) был произведен расчёт окупаемости данной технологии, который составляет 2-3 года (таблица 3).

Таблица 3. Оценка окупаемости технологии

Заключение

В результате исследования можно сделать следующие выводы:

1) На основании литературного обзора по применению детандер-генераторной технологии выбран детандер-генераторный агрегат «ТурбоСфера» для его использования на ГРС типа «Урожай-20».

3) Рассчитана максимальная мощность ДГА«ТурбоСфера» (304,5 кВт·ч).

4) Показано, что сезонная вырабатываемая мощность ДГА составляет от 37,75 до 249,5 кВт·ч, что превышает необходимую норму электроэнергии для ГРС (20 кВт·ч) и её переизбыток допускается для рационального применения.

5) Проведена оценка стоимости выполнения основных видов работ (4911,1 тыс. руб.). Срок окупаемости внедрения технологии не превышает 3-х лет.

Список источников

1. Данилов А.А. Автоматизированные газораспределительные станции: Справочник.-СПб.:ХИМИЗДАТ,2004.

2. О.А. Исабекова. Газовая отрасль России: проблемы развития // Журнал. Север и рынок: формирование экономического порядка.№2.2008.с.170-172

3. Филимонова И.В.,. Эдер Л.Н, Немов В.Ю.,. Мишенин М.В. Газовая отрасль России на современном уровне // Журнал. Экологический вестник. - №9. - 2014. - С.4-9.

4. Россия в цифрах. 2017: Крат.стас.сб/Росстат-М., P76 2017 -511 c.

5. А.А. Александров. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок». М.: Издательство МЭИ. 2004.г

6. Мальханов О.В. Разработка технологических схем и методов расчётов энергосберегающих турбодетандерных установок: диссертация кандидата технических наук: 05.14.04 [Место защиты: Моск. гос. открытый пед. ун-т им. Шолоххова]. - Москва, 2009. - 24 с.

Размещено на Allbest.ru