VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

При функционировании магистральных газоснабжающих систем на газораспределительных станциях (ГРС) производится снижение давления транспортируемого природного газа от 7,5 до 1,2 МПа, а на газораспределительных пунктах (ГРП) - от 1,2 до 0,2 МПа. Процесс понижения давления можно осуществить с помощью детандер-генераторного агрегата (ДГА), а не привычным уже дроссельным устройством. За счет перепада давления можно получить работу и выработку электроэнергии [1]. Начальная температура у магистрального газа от -5 до 10°С, после конечного расширения может достигнуть от -80 до -100°С, что недопустимо. Такая температура может нарушить работу оборудования. Для предотвращения этого следует подогревать газ перед входом в ДГА. Подогрев приводит также и к увеличению получаемой в ДГА работы.

Для подогрева магистрального газа могу быть использованы любые тепловые источники, перспективным является подогрев с помощью теплового насоса. В установке, включающей ДГА и тепловой насос, выработка электроэнергии производится без сжигания топлива. Схема такой установки показана на рис 1.

Рис. 1. Схема установки: 1 - теплообменник; 2 - испаритель; 3 -компрессор; 4 - детандер-генераторный агрегат

Одним из лучших рабочих веществ для теплового насоса является диоксид углерода СO2, обладающий такими качествами, как пожаробезопасность и низкий потенциал озоноразрушения; степень повышения давления в компрессоре для него намного ниже, чем для фреонов. Отличие же его применения связано с тем, что при осуществлении цикла в тепловом насосе он находится в сверхкритическом состоянии.

При работе ДГА совместно с тепловым насосом часть выработанной электроэнергии тратится на привод компрессора, причем эта часть существенно возрастает при возрастании температуры, до которой необходимо сжимать СO2, чтобы обеспечить заданный подогрев природного газа.

Для определения оптимальных условий работы такой установки необходимо определить термодинамические свойства СO2 по уравнению состояния [2], а свойства природного газа (метана) по расчету, описанному в работе [3].

При расширении метана в детандере от оптимальной температуры температура на выходе из ДГА достигает очень низких значений. Использование такого процесса возможно только в случае принятия каких-либо специальных мер, например, при применении подогрева газа после расширения в детандере. При отсутствии таких мер газ перед детандером следует нагревать до более высоких температур. При желании иметь на выходе из детандера температуру около 0°С магистральный газ необходимо подогревать до температуры 100-110°С.

Получить приемлемую температуру газа на выходе из детандера можно и применив двухступенчатое расширение газа с дополнительным подогревом его между ступенями детандера. Схема такой установки представлена на рис. 2. При такой схеме и использовании для подогрева любых тепловых источников мощность двухступенчатого детандера больше, чем одноступенчатого, и увеличивается при увеличении температуры подогрева.

Рис. 2. Схема установки с двухступенчатым детандером: 1 -теплообменник; 2 - испаритель; 4 -детандер высокого давления; 5 - детандер низкого давления

Иначе обстоит дело при подогреве газа с использованием теплового насоса. В этом случае для дополнительного подогрева газа между ступенями детандера затрачивается дополнительная мощность компрессора. При различных параметрах эта мощность может быть меньше или больше прироста мощности детандера за счет двухступенчатого расширения, что и определяет характер соотношения мощностей установок с одноступенчатым или двухступенчатым детандером.

На рис. 3 показана зависимость от температуры газа мощности установки с двухступенчатым детандером в сопоставлении с мощностью при одноступенчатом детандере. Из данных этого рисунка следует, что при высоких температурах мощность установки с двухступенчатым детандером меньше, чем установки с одноступенчатым, при одинаковой температуре подогрева газа. Однако такое сравнение не показательно, так как на выходе из детандера газ в этом случае будет иметь очень разную (при одноступенчатом детандере - зачастую недопустимую) температуру. Более наглядным является сравнение мощностей установок при одинаковой температуре газа на выходе из детандера, как это показано на рис. 3 для температуры t = 0°С. В этом случае следует сопоставлять мощности установок в точках А и В.

Рис. 3. Зависимость мощности установки от температуры подогрева газа при одноступенчатом и двухступенчатом детандерах. Пунктирные линии - одноступенчатый детандер, сплошные - двухступенчатый детандер

Использование двухступенчатого ДГА не приводит к существенному повышению мощности установки, но позволяет осуществить безопасный режим работы при более низкой температуре подогрева газа.

Вывод

Применение ДГА на ГРП и ГРС систем газоснабжения совместно с тепловым насосом позволяет осуществить выработку электроэнергии без сжигания топлива. Этот способ получения электроэнергии является экологически безопасным, а использование в качестве рабочего вещества теплового насоса негорючего и дешевого диоксида углерода создает хорошую перспективу его применения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Аксенов, Д. Т. Выработка электроэнергии и «холода» без сжигания топлива [Электронный ресурс] / Д. Т. Аксенов. – Режим доступа : www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2088.

2. Wagner W.» Spane R. Equation of State for Technical Applications. 111. Results for polar fluids // Int. J. Thermophysics. - 2003. - V. 24. - No. 1. - P. 111-162.

3. Джураева Е.В., Александров А.А. Эксергетический анализ процессов, происходящих в детандер-генераторном агрегате // Теплоэнергетика. - 2005. - № 2. - С. 73-77.

Код для цитирования: Скопировать