IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Ежегодно Россия потребляет более 400 млрд. м³ газа. Несмотря на большие запасы этого источника энергии и его относительную дешевизну в последнее время в РФ происходит все большее вовлечение в топливный баланс нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, а также вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), что объясняется потребностями повышения энергетической эффективности и сокращения вредного воздействия на окружающую среду. За последние годы Российской Федерацией принят ряд документов в этой области, в числе которых, в качестве основных, следует выделить «Энергетическую стратегию России на период до 2030 года» и Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…".

Наибольший экономический эффект от внедрения энергосберегающих технологий достигается в энергоемких производствах, к числу которых относится магистральный транспорт газа. Актуальной задачей в этой области на сегодня является определение альтернативных приоритетов традиционной энергетике c использованием ВЭР газотранспортной системы. Для этого необходимо произвести оценку потенциалов ВЭР и определить наиболее эффективные направления их использования. При этом потенциал энергосбережения при транспортировке газа оценивается величиной порядка 85% от общей экономии топливно-энергетических ресурсов в газовой отрасли.

Основным источников потребления топливных ресурсов при магистральном транспорте газа является компрессорная станция (КС) магистрального газопровода.

Технологическая схема КС состоит из установок очистки газа, компрессорных цехов и установок воздушного охлаждения газа, обеспечивающих технологические процессы по очистке транспортируемого газа от посторонних примесей, компримирование (сжатие газа до рабочего давления) и его охлаждение. Кром этого в состав КС обычно входит большой комплексом вспомогательных сооружений (складов, транспортных цехов, узлов связи и т.д.).

Основным источником вторичных энергоресурсов на КС являются уходящие газы от газотурбинных установок (ГТУ), в которых с уходящими из турбины отработавшими продуктами сгорания с температурой 400…500 °С теряется наибольшее количество тепла КС.

Помимо этого, к источникам вторичных тепловых ресурсов на КС относятся следующие системы:

• охлаждения смазочного масла;

• охлаждения газа;

• обратная сетевая вода;

• нагретые поверхности газоходов и ГТУ в машинных залах КС;

• вытяжные системы машинных залов компрессорных цехов;

• физическая энергию дросселируемого топливного газа.

Остальная теплота, теряемая при образовании водяных паров в камере сгорания, от химической неполноты сгорания топлива, на нагрев масла в подшипниках, от потерь в окружающую среду и др. в общей сложности не превышает 6…10 % и относится к разряду неизбежных потерь и не подлежит утилизации.

Возможности по количеству утилизируемой теплоты, зависят от многих факторов: типа, конструкции, мощности и режима установки ГТУ, температуры окружающей среды и др. Кроме того, в ряде случаев при наличии большого объема ВЭР, их экономия может быть ограничена невозможностью ее использования по причине отсутствия заинтересованных потребителей, что актуально для КС, расположенных в малонаселенной, труднодоступной местности.

Основным рационального использования вторичных энергоресурсов является применение различного рода утилизационных установок. Получаемая в результате этого теплота используется как в технологических, так и общехозяйственных целях для увеличения КПД ГТУ, теплоснабжения, отопления компрессорных станций и прилегающих поселков в осенне-зимний период, круглогодичного горячего водоснабжения.

Другими возможными потребителями утилизируемой теплоты могут быть различные системы снеготаяния, а также сторонние потребители, например, магистральные нефтепроводы, проложенные параллельно газопроводам на расстоянии 1–1,5 км, в которых производится подогрев нефти до температуры 30‑65°С с целью понижения ее вязкости. При этом достигается снижение вязкости нефти в три раза, что приводит к увеличению пропускной способности нефтепровода (для нефтепровода диаметром 1000 мм такое увеличение составит 21,5 %). Подогрев нефти осуществляется в теплообменниках, устанавливаемых на площадке нефтеперекачивающей станции или на отдельно стоящем пункте подогрева. В качестве промежуточного теплоносителя используется горячая вода.

Утилизация теплоты уходящих газов, вносит наиболее существенный вклад в повышении эффективности использования вторичных энергоресурсов на КС. Технические решения по ее использованию и могут и должны осуществляться на всем протяжении жизненного цикла КС, начиная с этапа проектирования и заканчивая эксплуатацией. За счет этого коэффициент эффективного использования теплоты топлива перспективных ГТУ может достигать величины порядка 80% и выше, из которых для выработки мощности на валу нагнетателя используется 34…36%, а остальное достигается за счет рационального использования теплоты уходящих газов.

Наиболее эффективным направлением утилизации тепла в этой области является использование парогазовых технологий для выработки электроэнергии, позволяющее повысить КПД использования ВЭР. Учитывая, что электроэнергия является наиболее универсальным источником энергии, это позволяет создать возможности для повышения диверсификации потребителей. Плюсы такой технологии наиболее актуальны в весенне-летний период, когда потребности в теплоснабжении и отоплении помещений КС и прилегающих жилых поселков минимальны.

Практическим примером использования на КС парогазовых технологий являются энергетические установки с бинарным парогазовым циклом, где в качестве рабочего тела используются органические жидкости с низкой температурой кипения – изобутан, изопентан и др. Целесообразность применения таких установок связана с тем, что проведенные в ряде стран исследования, показали их более высокую, по сравнению с пароводяными установками, эффективность использования, Суммарный выигрыш в выработке электроэнергии при этом может достигать полутора раз. Их достоинством также является возможность использования в качестве теплоносителя для подогрева рабочего тела воды с температурой от 105⁰С, которая может браться из системы теплоснабжения КС.

Для утилизации теплоты ВЭР с источниками низкопотенциальной энергии целесообразно использование тепловых насосов. К числу таких источников можно отнести следующие системы и элементы КС: система охлаждения смазочного масла; система охлаждения газа; система обратной сетевой воды; нагретые поверхности газоходов и ГТУ в машинных залах КС; вытяжные системы машинных залов компрессорных цехов.

Тепловые насосы, применяемые для утилизации теплоты систем охлаждения смазочного масла и обратной сетевой воды строятся по стандартной схеме и используются, как правило, для отопления и горячего водоснабжения.

Тепловой насос для охлаждения потока газа имеет свои особенности построения. В его конструкции выход нагнетателя газоперекачивающего аппарата соединяют со входом трубного пространства испарителя теплового насоса, а его вход – с началом линейного участка магистрального газопровода. Компрессор теплового насоса соединен с валом двигателя. Выход и вход трубного пространства конденсатора теплового насоса соединяются с потребителями тепловой энергии. Такая конструкция теплового насоса позволяет снизить потребляемую мощность на компримирование газа и обеспечивает большую утилизацию вторичных энергоресурсов. Кроме того, применение данной технологии исключает разрушение металла трубопровода от переохлаждения в зимний период, что повышает эксплуатационную надежность магистрального газопровода.

Теплота удаляемого из помещений КС воздуха утилизируется с помощью тепловых насосов типа «воздух–воздух», которая используется для подогрева поступаемого наружного воздуха. Для большей эффективности использования таких насосов целесообразно на этапе проектирования предусмотреть возможность их реверсивной работы для охлаждения помещений в теплое время года.

Применение тепловых насосов позволяет повысить эффективность энергосберегающих мероприятий. Однако, при использовании тепловых насосов следует иметь ввиду, что их использование имеет свои технические проблемы и ограничения, связанные с их зависимостью от характеристик используемого источника энергии, которые в общем случае являются переменными величинами и могут изменяться. Так, например, для рентабельной работы воздушного теплового насоса температура наружного воздуха должна быть не менее 14 °C.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что существует некоторый предел возможности реализации и использования тепловых насосов. Определение этого предела производится путем поиска оптимального для конкретного теплового насоса соотношения вырабатываемой тепловой энергии и уровня ее реализации.

Также в качестве источника источником ВЭР на КС магистральных газопроводов может быть использована энергия избыточного давления топливного газа и части потока транспортируемого газа после компримирования для подогрева холодного топливного газа после ДГА.

Большие возможности по использованию ВЭР имеются не только на объектах магистрального транспорта газа, но и в распределительных сетях, к которым относятся газораспределительные станции (ГРС) и газораспределительные пункты (ГРП). На традиционных ГРС избыточное давление стравливается в дроссельных устройствах до давлений в распределительной сети и потенциал ВЭР не используется.

Для использования физической энергии газа, получаемой за счет снижения давления на ГРС и ГРП, вместо традиционных дроссельных устройств целесообразно использование детандер-генераторных агрегатов (ДГА), которые позволяют получить выработку электроэнергии за счет перепада давления газа. В этом случае происходит адиабатное детандирование, в результате которого температура газа снижается существеннее, чем в процессе дросселирования. При больших перепадах давлений такое снижение может достигать величин минус 80 -100 0С, что недопустимо.

Для решения этой проблемы на станции понижения давления с ДГА используется система подогрева газа. При больших перепадах давлений (7,5/1,2 МПа и 1,2/0,3 МПа) газ перед детандером подогревают до температуры 100-1200С, а при незначительных (4/1,2 МПа и 1,2/0,6 МПа) – до температуры 40-80°С

При больших перепадах давлений для повышения безопасности эксплуатации температура входного газа может быть снижена путем использования двухступенчатой схемы расширения газа с дополнительным подогревом его между ступенями детандера. Использование двухступенчатого ДГА позволяет осуществить безопасный режим работы за счет более низкой температуры газа, без существенного изменения мощности установки.

В целом, можно сделать вывод, что используемые на компрессорных станциях технологические системы являются энергозатратными и обладают большим ресурсом избыточной энергии для использования ее в качестве ВЭР, создавая тем самым значительные возможности по повышению энергоэффективности магистрального транспорта газа.

Источники:

1. Уляшева В.М., Киборт И.Д. Энергосберегающие технологии на компрессорных станциях/ СОК 9/2013.

2. Каменских И.А., Гришин В.Г. Система охлаждения сжатого газа на компрессорной станции магистрального газопровода. Патент на изобретение № 2116584.

3. Агабабов В.С. Бестопливные установки для производства электроэнергии, теплоты и холда на базе детандер-генераторных агрегатов/Новости теплоснабжения, 1/ 2009.

4. Львов Д.А. Детандер-генераторный агрегат как энергосберегающая установка для газоснабжающих систем/ Электронный научный журнал "Международный студенческий вестник", 2014.

5. Гатауллина А.Р. Повышение энергоэффективности системы газоснабжения за счет утилизации вторичных энергетических ресурсов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2016.

5

Код для цитирования: Скопировать