КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА ДЛЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Одним из направлений энергосбережения в транспорте газа по магистральным газопроводам является утилизация теплоты отработанных газов приводных газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях (КС). Температура уходящих газов основных типов газотурбинных двигателей, установленных на КС, составляет 280-550 оС, а потенциальная тепловая мощность их для одной КС – 150-200 МВт. Поэтому энергетический потенциал утилизации теплоты этих газов довольно высок. По расчетам при использовании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (н-пентане) при утилизации теплоты отработанных газов для выработки электроэнергии в зависимости от вида базовой энергоустановки суммарная мощность комплексной энергоустановки может быть увеличена на 3…24 % [1]. Выработанная электроэнергия может использоваться для собственных нужд КС, а ее излишек продаваться во внешнюю энергосеть.

На базе сложившейся инфраструктуры КС использование дополнительно вырабатываемой за счет теплоутилизации электроэнергии и продажа ее во внешнюю сеть зачастую представляет значительную организационную и технологическую трудность. Одной из альтернатив этому пути является утилизации сбросной теплоты отработанных газов ГТУ не для выработки электроэнергии, а для других целей – например, охлаждения компримированного газа. Показано, что внедрение интенсивных систем охлаждения компримированного газа в транспорте газа позволяет увеличить пропускную способность газопроводов до 5…8 % и снизить удельные приведенные затраты на 2…3 % [2]. Решить эту задачу можно с помощью теплоиспользующих холодильных машин. При этом с помощью холодильных машин охладить компримируемый газ непосредственно после ГПА при его температуре, значительно превышающую температуру окружающей среды, термодинамически значительно менее эффективно, чем при его охлаждении холодильными машинами после аппаратов воздушного охлаждения (АВО). В этом случае компримируемый газ можно охладить до температуры ниже температуры окружающего воздуха, что невозможно сделать с использованием только АВО.

Для охлаждения компримированного газа можно использовать холодильные машины различного типа: с дросселированием предварительно сжатого компрессором и охлажденного в промежуточном охладителе воздуха; воздушной холодильной машины с детандером; турбокомпрессорной холодильной машины; пароэжекторной холодильной машины. Необходимая для этого механическая и электрическая энергия вырабатывается теплоутилизирующей энергоустановкой, использующей теплоту отработанных газов приводных ГТУ и непосредственно сопряженная с холодильной машиной.

Принципиальным при этом является выбор вещества для использования его в качестве рабочего тела в паросиловых и холодильныых циклах теплоутилизирующих установок. Уровень температур отработанных газов рассматриваемых приводных ГТУ позволяет в качестве рабочего тела использовать наиболее дешевое вещество – воду. Но специфические особенности КС: удаленность от водных источников, ограниченность территории и рабочего персонала требуют максимальной простоты технологических схем. Вода, которая замерзает при отрицательных температурах, усложняет условия эксплуатации таких систем. Поэтому по условиям эксплуатации КС более пригодными для использования в качестве рабочих тел являются низкокипящие вещества с температурой застывания ниже (-30 о С) (табл. 1). Использование таких веществ в качестве рабочих тел в совокупности с применением воздушного охлаждения конденсаторов и других охлаждающих устройств позволяет перейти к практически безводным технологиям работы и эксплуатации КС. Вместе с тем вследствие существенного увеличения теплообменных поверхностей и расхода воздуха на охлаждение возрастает удельный расход мощности на привод вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. Вследствие термодинамических особенностей низкокипящих веществ вырастают удельные расходы мощности на привод питательных и конденсатных насосов.

Наиболее приемлемыми и перспективными низкокипящими веществами в качестве рабочих тел в теплоутилизирующих установках являются углеводороды низкокипящие рабочие тела (НРТ) (н-пентан, н-бутан, пропан). Исходя из уровня температур отработанных газов базовых ГТУ и имеющихся данных по термодинамическим свойствам различного вида углеводородов в рассматриваемых условиях наиболее эффективно применение в качестве низкокипящего рабочего тела н-пентана. Так, в частности, на канадской КС Golol Greek с 1999 г. работает теплоутилизирующая энергоустановка на н-пентане мощностью 7 МВт [3].

Кроме того, использование в качестве НРТ н-пентана эффективно и в обратном холодильном цикле, так как давления в конденсаторе и испарителе НРТ при принятых соответствующих температурах в них близки к атмосферному, что удешевляет и упрощает изготовление и эксплуатацию этих аппаратов.

В качестве альтернативных НРТ рассматривались и другие вещества: фреон R-142, изобутан, пропан. Для рассматриваемых условий применение их менее эффективно.

В связи с вышеизложенным было проведено исследование комбинированной теплоутилизирующей турбокомпрессорной энергохолодильной установки на н-пентане на базе приводной ГТУ типа ГТНР-10 номинальной мощностью 10 МВт. Выбор ГТУ этого типа в качестве базовой обусловлен тем, что, по соображениям пожароопасности, температура отработанных газов близка к допустимой температуре НРТ. При этом в качестве НРТ в рабочем контуре теплоутилизирующей ергоустановки используется н-пентан, а ГТУ имеет максимальный расход газов по сравнению с другими приводными двигателями этого типа.

Основные характеристики базовой энергоустановки – приводного газотурбинного двигателя ГПА, установленного на компрессорных станциях, представлены ВНИИПИТРАНСГАЗ Украины (табл. 2). Характеристики низкокипящих рабочих тел взяты из справочной литературы (табл. 1). Температура воздуха на входе в охлаждающие устройства принята равной максимальной температуре наиболее жарких месяцев года в центральной части Украины tв.вх. = 30 оС. Температура холодильного агента в испарителе принята равной t0 = 5 оС. После ГТНР-10 отработанные газы направляются в парогенератор теплоутилизирующей энергоустановки. Температура отработанных газов на выходе из теплоутилизирующей энергоустановки принята равной tг.ух. = 70 оС.

При расчете теплоутилизирующей холодильной машины необходимо знать параметры компримированного газа. По данным ВНИИПИТРАНСГАЗа температура компримированного газа (метана) после АВО tкг = 40 оС, давление Ркг = 75 ата. Теплофизические свойства метана взяты из [7].

Расход низкокипящщего рабочего тела (н-пентана) в паросиловом цикле теплоутилизирующей энергоустановки находится из теплобалансовых соотношений для испарителя и подогревателя НРТ.

При расчете расхода НРТ в рабочем контуре теплоутилизирующей холодильной машины следует следить за тем, чтобы температура газовоздушной смеси на выходе из испарителя превышала температуру НРТ в испарителе, т.е. минимальную температуру цикла t1 = 170 оС.

Силовой частью холодильной установки является теплоутилизирующая энергоустановка на низкокипящем рабочем теле – н-пентане. Схема и цикл теплоутилизирующей энергоустановки показаны на рис. 1.

При расчете основных характеристистик энергоустановки прияты следующие значения основных параметров теплоутилизирующей энергоустановки: максимальная температура цикла t1=170о С, температура конденсата в конденсаторе t3=40о С, относительный внутренний кпд турбины на н-пентане 0iт = 0,72, механический кпд турбины м = 0,98, кпд генератора г = 0,96, кпд насоса н = 0,6. Значения параметров в характерных точках цикла находим из P-i диаграммы для н-пентана [5]. Удельные работы и кпд цикла рассчитываем по известным термодинамическим соотношениям [8].

Охлаждение конденсатора осуществляется с помощью аппаратов воздушного охлаждения типа АВЗ.

Тепловая мощность одного АВЗ составляет QАВЗ = 1413 кВт. Количество их – 14, суммарная мощность - 18456 кВт.

Результаты расчетов теплоутилизирующей энергоустановки на н-пентане, использующей теплоту отработанных газов базовой энергоустановки, установленной на компрессорной станции магистральных газопроводов, приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы, мощность теплоутилизирующей энергоустановки составляет порядка 25 % мощности приводного двигателя ГПА. Эту мощность можно затратить или на выработку электроэнергии для обеспечения собственных нужд КС, или на привод компрессоров холодильных машин для дополнительного охлаждения компримированного газа после его охлаждения существующими аппаратами воздушного охлаждения.

Прямой паросиловой цикл Ренкина в теплоутилизирующей энергоустановке осуществляется, как уже упоминалось, на низкокипящем рабочем теле н-пентане. Поэтому в обратном холодильном цикле теплоутилизирующей турбококмпрессорной холодильной машине также используется в качестве рабочего тела н-пентан. Схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 2 [9].

Таким образом схема теплоутилизирующей холодильной установки состоит из двух частей: из уже рассчитанной схемы теплоутилизирующей энергоустановки и подлежащей расчету схемы холодильной установки. При этом мощность теплоутилизирующей энергоустановки на валу силовой турбины (Nтн)м, передаваемая компрессору, должна быть уменьшена на величину затраты мощности на охлаждение конденсата н-пентана, циркулирующего в холодильном контуре в количестве. Основные результаты расчетов турбокомпрессорной холодильной машины приведены в таблице 4.

ВЫВОДЫ

Результаты исследований показали, что теплоутилизирующие энергоустановки на н-пентане на базе использования теплоты отработанных газов приводной ГТУ типа ГТНР-10 можно успешно использовать как для энергетических целей, так и для дополнительного охлаждения компримированного газа. Расчеты показали, что при воздушном охлаждении конденсаторов электрическая мощность комбинированной энергоустановки возрастает до 12.52 МВт (на 25,2 %). Если же эту мощность использовать для дополнительного охлаждения компримированного газа с помощью турбокомпрессорной холодильной установки на н-пентане, то глубина охлаждения газа составит 24,9 оС, т.е. компримированный газ можно охладить примерно до 27о С – до температуры ниже принятой расчетной температуры атмосферного воздуха (30о С), что невозможно сделать с помощью других охлаждающих устройств. При этом требуется установка дополнительного оборудования: парогенератора тепловой мощностью порядка 21 МВт, блока турбина – компрессор на н-пентане тепловой мощностью брутто 3289 кВт, конденсатного насоса для н-пентана мощностью 329 кВт, 24 АВО с суммарно затрачиваемой мощностью на их привод 476 кВт, редукционной установки с расходом н-пентана 32,1 кг/с, системы обвязки трубопроводов и арматуры, системы КИП и автоматики, системы пожаробезопасности. Были рассчитаны для рассматриваемых условий также варианты теплоутилизирующих холодильных машин: с дросселированием воздуха, турбодетандерная и пароэжекторная. Глубина охлаждения компримированного газа в первом случае пренебрежимо мала, а во втором и третьем случаях примерно втрое ниже, чем при использовании турбокомспрессорной машины. Наиболее простой установкой является пароэжекторная теплоутилизирующая энергоустановка. Окончательный вариант тепловой схемы комбинированной энергоустановки может быть определен с учетом особенностей конкретной КС и экономической целесообразности создания такой установки.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004