Выработка электроэнергии и «холода» без сжигания топлива

Д. Т. Аксенов, доктор техн. наук, профессор

При редуцировании газа на ГРС «диссипируется» значительное количество потенциальной энергии избыточного давления газовых потоков, которая была ранее передана газу на компрессорных станциях магистральных газопроводов Газпрома с затратой энергии, трудовых и материальных ресурсов. Другими словами, эта потенциальная энергия газа имеет вполне конкретную стоимость.

В целях энергосбережения и повышения эффективности общественного производства ее нужно и можно утилизировать с получением положительных эффектов.

Одним из известных направлений решения такой задачи является применение детандерных установок для выработки электроэнергии. Известно значительное количество разработок подобных установок как в зарубежных странах, так и в России. Однако широкого применения детандерные установки еще не получили при всей казалось бы очевидности их высокой эффективности. Причины такого положения, как нам представляется, кроются в том, что при утилизации энергии на ГРС задача решается недостаточно комплексно, без использования системного подхода, а также в стремлении максимально «приспособить» традиционные технические и конструктивные решения при создании оборудования, в частности детандерных установок.

Фирма «Автогазсистема-Бис» разработала новую технологию комплексного использования «бросовой» энергии газа на ГРС для выработки электроэнергии и «холода» без сжигания топлива, т. е. экологически чистым способом. Для этой цели ею создан мощностной ряд унифицированных пневмоэлектрогенераторных агрегатов (ПЭГА). Основные показатели агрегатов ПЭГА приведены в таблице. Из этих агрегатов формируются энергоблоки требуемой мощности (до 8–10 мВт).

Оригинальная конструкция этих агрегатов наиболее полно отвечает особенностям их функционирования одновременно и сопряженно с газовой и электрической системами, параметры которых изменяются по времени (в течение суток и по сезонам). Конструкция ПЭГА обеспечивает их применение при изменении параметров ГРС в широких пределах (по проходу газа через ГРС – в 6–7 раз; по давлению газа на входе ГРС – до 10 раз).

Технология предусматривает одновременную выработку на ГРС электроэнергии с помощью агрегатов ПЭГА и полезное использование возникающего в результате расширения газа в турбине ПЭГА сопутствующего энергетического эффекта – «холода».

Температура газа в турбине снижается на 18–25°C. По технологии этот газ направляется в камеры холодильника и затем после повышения его температуры до -1...+2°C он возвращается в трубопровод отвода газа от ГРС (рис. 1). При этом не нарушаются параметры газа, т. е. они остаются такими же, как и при работе ГРС без энергоблока.

Рисунок 1. (подробнее) Схема электрохолодильного комплекса из агрегатов ПЭГА

Как видно, новая технология реализуется с помощью энергоблока из агрегатов ПЭГА, одновременно вырабатывающего за счет избыточного давления газа на ГРС электроэнергию и «холод», а также холодильника, использующего этот «холод», т. е. с помощью энергохолодильного комплекса.

Главной компонентой этого комплекса является энергоблок с агрегатами ПЭГА, т. к. именно с их помощью «бросовая» энергия избыточного давления газа на ГРС преобразуется в электроэнергию и «холод» для его полезного использования.

Агрегат ПЭГА представляет собой единый блок (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Общий вид унифицированного агрегата ПЭГА-600 мощностного ряда. Обозначения: 1 – пневмопривод (расширительная турбина); 2 – электрогенератор; 3 – корпус агрегата; 4 – блок газораспределения; 5 – электросоединительный ящик.

В корпусе блока (в герметичной камере – капсуле) размещены электрогенератор и турбина. Снаружи на торце крышки турбины установлен блок газораспределения, включающий главное стоп-устройство, дозатор газа и коллектор с газоразводящими патрубками. Снаружи на корпусе установлен электросоединительный ящик, в который выведены силовые и управляющие кабели от генератора через специальные тоководы. При подаче газа от трубопровода подвода газа к ГРС через блок газораспределения к турбине его потенциальная энергия газа превращается в ней в механическую энергию. Отработавший газ с пониженной температурой отводится из капсулы в коллектор отвода газа. Турбина приводит во вращение вал ротора генератора. Вырабатываемая электроэнергия от генератора через соединительный ящик отводится в электросеть.

При работе не расходуются никакие материалы и не используются технологические агенты (масло, вода, тепло, электроэнергия), кроме возвращаемого в трубопровод потока газа. Отсутствует инфраструктура.

Рисунок 3. (подробнее) Работающий агрегат ПЭГА на ГРС «Южная» ГУП «Мосгаз»

Конструкция ПЭГА приспособлена для его эксплуатации на открытом воздухе при температуре от -40°C до +60°C и любых других погодных условий. Силовые элементы (контактор и др.) и система автоматики размещены в шкафу (740х780х1800 мм), который должен устанавливаться в блок-боксе (минимальная температура внутри блок-бокса -5°C).

Агрегаты ПЭГА могут включаться в газовую систему параллельно, последовательно и комбинированно, образуя энергоблок. Схема включения, единичная мощность ПЭГА и их количество определяются индивидуально в каждом проекте в зависимости от параметров и масштабности ГРС по проходу газа, а также от спроса потребителей электроэнергии и холодильных площадей.

При проходе через ПЭГА газа объемом 10 тыс. м³/ч и снижении его давления газа в турбине в 2 раза вырабатывается 100 кВт•ч электроэнергии и практически столько же «холода». При выработке 100 кВт•ч электроэнергии на ТЭЦ расходуется до 0,05 т. у. т. (с учетом потерь в сетях и т. д.). При производстве 100 кВт•ч «холода» традиционным способом расходуется до 150 кВт•ч электроэнергии. При этом на ТЭЦ также расходуется до 0,075 т. у. т.

Как видно, утилизация потенциальной энергии потока газа объемом 10 тыс. м³/ч экологически чистым способом с помощью ПЭГА позволяет выработать 200 кВт•ч энергии (100 кВт•ч электроэнергии и 100 кВт•ч «холода») и этим обеспечить экономию более 0,125 т. у. т. в час.

В настоящее время по постановлению Правительства Москвы от 9 октября 2001 года № 912-ПП «О городской программе по энергосбережению на 2001–2003 годы в Москве» на ГРС «Южная» ГУП «Мосгаз» создан пилотный энергоблок с установленной мощностью 2 100 кВт (по проекту – четыре агрегата ПЭГА) и годовой выработкой электроэнергии 15 млн кВт•ч. Энергоблок введен в экс-плуатацию с одним агрегатом ПЭГА. Вырабатываемая электроэнергия передается в электросеть «Мосэнерго». В ближайшее время энергоблок будет дооборудован еще тремя подготовленными к монтажу агрегатами. Проработаны решения по сооружению непосредственно около энергоблока холодильника на 2 000 м².

Холодильник представляет собой помещение с камерами для хранения продуктов питания, через теплопередающие поверхности которых проходит газ, охладившийся в турбинах ПЭГА (температура газа на входе в холодильник -15...-20°C). При этом отсутствует традиционное холодильно-компрессорное отделение со всей инфраструктурой (системы хранения, подвода, отвода аммиака, смазочных масел, электроэнергии, воды и пр.). Вследствие этого стоимость сооружения и эксплуатации такого холодильника будет в 2 раза ниже по сравнению с традиционным.

Таблица. (подробнее) Технические данные агрегатов мощностного ряда

Апробация в эксплуатации пилотного электрохолодильного комплекса на ГРС «Южная» откроет значительные перспективы развития этого направления экономии топлива и, как следствие, снижение экологической нагрузки на окружающую среду.

Так, только на ГРС Москвы (без ГРС «Мосэнерго») по ориентировочным оценкам с помощью ПЭГА возможно ежегодно вырабатывать более 250 млн кВт•ч электроэнергии и использовать при этом около 200 млн кВт•ч «холода» в холодильниках площадью до 70 тыс. м², что предотвратит сжигание на ТЭЦ более 270 тыс. т. у. т. в год с соответствующим экологическим эффектом.

Окупаемость капитальных вложений в электрохолодильный комплекс не превысит двух лет. Срок его службы – 60 лет.

Себестоимость вырабатываемого 1 кВт•ч энергии не превысит 6–7 копеек. После внедрения двух-трех электрохолодильных комплексов дальнейшая реализация программы может осуществляться за счет самофинансирования из прибыли.

Представляется целесообразным разработать и реализовать в короткие сроки дополнение к программе энергосбережения Москвы на 2004 и последующие годы, предусматривающее широкое внедрение электрохолодильных комплексов на ГРС Москвы. Это позволит по-хозяйски использовать имеющийся немалый энергетический ресурс «бросовой» энергии давления газа на ГРС для экологически чистой выработки электроэнергии и «холода» с использованием его в холодильниках. Для этого уже созданы необходимые условия и имеется серийно выпускаемое комплектное оборудование.