На правах рукописи

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

Москва, 2008 год 2

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

Научный консультант: 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 л20 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 ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского 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 л19 мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.т.н., доцент С.К. Попов 3

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На транспорт газа по магистральным 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 детандергенераторных 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 (ГРС), газорегуляторных пунктах (ГРП), в системах топливного газа ГПА на компрессорных станциях (КС), применяется дросселирование. Альтернативой дросселированию 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 теплообменникеутилизаторе 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 ГПАДГА 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, а также КПД детандер-генераторного агрегата.

- 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 15Ц25 %, увеличить надежность электроснабжения КС на 1Ц3 %. 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-приводит к сокращению расхода первичного условного топлива на перекачку суточной нормы природного газа по газопроводу диаметром 1220 мм на 2 т п.у.т. 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-экономического 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.

ичный 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 полезного 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 поставленной 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.

Рисунок 1 - Схема ДГА, работающего в системе топливного газа ГПА 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 теплообменниковутилизаторов (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-утилизатора.

При сопротивлении теплообменного аппарата меньше 20 Па (для ГТК-10;