Возможности использования энергии давления природного газа на малых газораспределительных станциях

А. Л. Репин, аспирант,

Л. А. Репин, профессор, Кубанский государственный технологический университет

Идея использования указанного перепада давления общеизвестна. Имеются отдельные примеры ее успешной реализации путем установки крупных турбодетандерных агрегатов для выработки электроэнергии (ТЭЦ-22, Москва).

Целесообразность строительства таких комплексов именно на крупных ГРС не вызывает сомнения. В то же время в системе газоснабжения страны имеется огромное количество небольших ГРС и крупных ГРП, где редуцирование газа (например с 1,2 до 0,3 МПа) также идет с потерей потенциальной энергии.

Следует подчеркнуть, что практически все известные проекты использования избыточной энергии давления газа при его редуцировании в системах газораспределения и потребления направлены на производство электрической энергии. Вместе с тем нельзя забывать, что при адиабатном расширении газа с отдачей внешней работы существенно снижается температура рабочего тела, величина этого снижения определяется отношением давлений на входе и выходе расширительной машины (детандера).

Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПа температура его снижается на 50–60 °C (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (от 1,8 до 0,3 МПа) разность температур возрастает до 70–80 °C. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20 °C, температура потока после расширения составит -30 – -40 °C в первом и -50 – -60 °C во втором случаях. Таким образом,

в результате использования избыточной энергии давления природного газа может вырабатываться не только электрическая энергия, но и значительные количества холода (от 60 до 80 кДж/нм³). Исходя из этого представляется целесообразным строительство при ГРС промышленных холодильников, емкость которых будет определяться величиной стабильного расхода газа через расширительную машину.

Рисунок 1. Принципиальная схема электротехнологической детандерной установки. Обозначения: 1 – редукционный клапан ГРС, 2 – винтовой детандер, 3 – электрогенератор, 4 – теплообменник, 5 – холодильная камера, 6 – циркуляционный насос, 7 – контур хладагента, 8 – сепаратор

Предварительная проработка проекта энерготехнологической детандерной установки на базе ГРС со стабильным суточным расходом газа 60 тыс. м³ (рис. 1) показала, что ее хладопроизводительность оказалась достаточной для обеспечения типового промышленного холодильника емкостью 270 т.

При этом удельная выработка электроэнергии в установке составляет 0,025 кВт•ч/нм³, а электрическая мощность генератора – 62,5 кВт, что вполне достаточно для покрытия собственных нужд холодильника (автоматика, насосы, освещение и т. п.).

Несмотря на очевидную целесообразность подобных решений, практическая их реализация неизвестна, что может быть объяснено отсутствием расширительных машин, способных работать в указанных выше пределах давления и при относительно небольших расходах газа.

Существующие расширительные машины турбинного типа предназначены для больших объемных расходов.

При малых объемах газа необходимо существенно увеличивать скорость вращения турбодетандера, что заметно влияет на его эффективность.

В литературе [1] имеются данные об использовании для этих целей турбинных агрегатов малой мощности, однако, к сожалению, авторы не приводят данные по их энергетической эффективности, особенно в диапазоне давлений ГРС и ГРП (от 1,2 до 0,3 МПа) и малых величин объемных (при условиях входа в турбодетандер) расходов газа.

При использовании расширительных машин (детандеров) в описаных условиях к ним предъявляются специфические требования: обеспечение высокой степени расширения газа, надежная и эффективная работа на переменных режимах, нечувствительность к возможному выпадению конденсата и образованию гидратов в процессе расширения и т. п.

Рисунок 2. Разрез винтового детандера

Этим требованиям в полной мере удовлетворяют винтовые детандеры, являющиеся, как и поршневые, представителями класса объемных машин. В отличие от поршневых винтовые агрегаты имеют вращательное движение рабочих органов, в них отсутствует механизм газораспределения, нет «мертвого объема».

Винтовой детандер по конструкции аналогичен винтовому компрессору и состоит из корпуса и двух роторов, имеющих специальную винтовую нарезку и находящихся в зацеплении (рис. 2). Между всеми рабочими элементами агрегата имеются гарантированные зазоры, что обеспечивает полное отсутствие трения в рабочем объеме машины. В то же время существование этих зазоров обуславливает наличие основных потерь в детандере – так называемых протечек газа из полостей с более высоким давлением в полости с пониженным давлением.

Поскольку функции механизма газораспределения выполняют сами роторы, в агрегате отсутствуют клапаны, являющиеся в поршневых машинах основной причиной дроссельных потерь в процессах наполнения и выталкивания.

Рисунок 3. Влияние конденсатосодержания газа на адиабатический КПД.  Обозначения: 1 – d = 3 см3/м3; 2 – d = 20 см3/м3; 3 – d = 40 см3/м3; 4 – d = 60 см3/м3

Конструкция винтовых машин исключает возможность гидравлических ударов, поэтому такие агрегаты могут надежно работать на влажном конденсатосодержащем газе, когда при снижении температуры потока в процессе расширения возможно выпадение конденсата или образование гидратов.

Более того, возможная при существенном снижении температуры потока конденсация тяжелых углеводородов приводит к уплотнению имеющихся зазоров в детандере и, следовательно, к повышению эффективности работы машины за счет уменьшения величины протечек. На  рис. 3 приведены результаты экспериментального исследования работы винтового детандера на природном газе при различном содержании жидкой фазы d в потоке [2].

Высокий технологический эффект, получаемый при расширении природного газа в винтовом детандере, а также серийное производство винтовых компрессоров, которые после некоторых конструктивных изменений могут быть использованы в качестве расширительных машин, убедительно показывают целесообразность их использования вместо применяемых в настоящее время на ГРС и ГРП дросселирующих устройств с целью создания на их базе энерготехнологических установок, для обеспечения электроэнергией и холодом объектов, размещенных в районе расположения этих узлов газотранспортной системы.

Экспериментальные исследования винтовой расширительной машины при работе на природном газе [2, 3] позволили получить ряд характеристик, которые могут быть положены в основу оценки экономической эффективности промышленного использования детандеров для производства электроэнергии и холодоснабжения. На рис. 4 приведены экспериментальные данные по зависимости расхода газа через винтовой детандер, построенный на базе серийного винтового компрессора 7ВКГ-25/5, от степени понижения давления e и скорости вращения роторов n. Диаметр роторов испытываемого детандера – 315 мм. Адиабатный КПД опытного образца лежит в пределах 0,6–0,7, удельная мощность, вырабатываемая агрегатом, равна 0,024–0,026 кВт/нм³.

Рисунок 4. Экспериментальная зависимость расхода газа через детандер от скорости вращения роторов

Таким образом, по своим конструктивным и техническим характеристикам винтовые расширительные машины могут быть рекомендованы для энерготехнологических установок по использованию избыточного перепада давления газа на относительно небольших ГРС и крупных ГРП не только для выработки электроэнергии, но и для холодоснабжения, например, промышленных или сельскохозяйственных холодильников.

Литература

1. Аксенов Д. Т., Герцен А. Н. Использование энергохолодильных комплексов в целях энерго-сбережения // Промышленная энергетика. 2004. № 2.

2. Зарницкий Г. Э., Репин Л. А. Винтовые детандеры для использования избыточной энергии давления природного газа на промыслах. М., 1972.

3. Зарницкий Г. Э., Репин Л. А. Исследование работы винтового детандера на природном газе // Газовое дело. 1972. № 9.