При поступлении природного газа из магистральных трубопроводов в системы городов и крупных промышленных предприятий осуществляется понижение его давления на газораспределительных пунктах (ГРП). Снижение давления газа происходит в редукционных клапанах дросселированием, происходит расширение газа и понижение его температуры. Аналогичных технологических точек снижения давления газа на пути от скважины до потребителя несколько [1].
При расширении сжатого газа работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дросселирующего устройства и переходит в тепло. Дросселирование реальных газов сопровождается, как правило, понижением температуры, несмотря на постоянство энтальпии. Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании называется дроссельным эффектом. Дроссельный эффект заключается в том, что при расширении сжатого газа до более низкого давления без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой температура его изменяется. Физическая сущность дроссельного эффекта заключается в том, что при дросселировании реального газа часть его внутренней энергии расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами. При расширении сжатого газа и совершении им внешней работы за счет внутренней энергии, температура газа понижается более значительно. Снижение давления газа происходит в редукционных клапанах и является прямой потерей потенциальной энергии потока.
В газовых машинах используют эффект резкого снижения температуры при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется детандером. Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПа температура его снижается на 50-60°С (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°С. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20°С, температура потока после расширения составит от -30 до -40°С в первом и до -60°С во втором случаях. Исходя из этого, представляется целесообразным использование турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин при строительстве предприятий по сжижению пропан – бутановой фракции природного и нефтяного газов. Получение низких температур для сжижения газов осуществляется расширением сжатых газов с совершением внешней работы в сочетании с противоточным теплообменом. В случае использования специальных турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин вышеупомянутую теряемую энергию газа можно использовать для выработки электроэнергии.
Идея использования указанного перепада давления общеизвестна. 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).
Реализация идей использования расширительных машин для утилизации перепада давления природного газа осуществляется с помощью следующих типов ДГА.
1. Детандер с гидротормозом.
Находит применение там, где необходима небольшая (до 100 кВт) холодопроизводительность, а утилизация мощности, вырабатываемой детандером
(в электроэнергию или компрессию газа) экономически нецелесообразна;
2. Детандер-компрессор.
Имеет гораздо более широкое применение. После сепарации тяжелых углеводородов в сепарационном барабане, газ сжимается в центробежном компрессоре. Агрегат имеет единый вал с одним колесом детандера и одним компрессорным колесом, установленными оппозиционно на валу. Этот тип турбодетандера
применяют в технологических циклах для понижения температуры газа (получения холода) и для повышения давления технологического газа вследствие работы ступени компрессора;
3. Детандер-генератор.
Используется для выработки электроэнергии (с получением холода) в технологических установках и на газораспределительных станциях при регенерации (утилизации) энергии сжатого газа.
Имеются отдельные примеры успешной реализации идеи использования перепада давления путем установки турбодетандерных агрегатов для выработки электроэнергии. Так, ОАО «Белгородоблгаз» совместно с НПП «Газэлектроприбор» г. Харьков в 2007 году было принято решение о проведении эксплуатационных испытаний турбодетандера, использующего энергию проходящего газа выходного давления после регулятора для выработки электроэнергии.
Турбостанция катодной защиты и электропитания (ТСКЗиЭ) предназначена для преобразования избыточной энергии транспортируемого газа в регулируемый постоянный ток, обеспечивающий катодную защиту объектов различного назначения: однониточных и многониточных газотрубопроводов, насосных и компрессорных станций, газораспределительных пунктов и т.д. от почвенной коррозии в полевых условиях или закрытом помещении при температуре окружающего воздуха от -40 °С до +60 °С и относительной влажности до 85%. Технические данные испытуемой ТСКЗиЭ представлены в таблице 1.
Турбостанция катодной защиты и электропитания состоит из: корпуса, турбины, генератора переменного тока с встроенным выпрямителем; гермовыводов для подключения кабеля нагрузки. Корпус турбостанции выполнен из газовой трубы с фланцами для подключения турбостанции в схему газовой обвязки.
Таблица 1 – Технические данные ТСКЗиЭ
|
Параметр |
Значение |
| Номинальная выходная мощность, кВт |
0,01-30 |
| Выходное напряжение постоянного тока, В |
12-48 |
| Выходное напряжение переменного тока, В |
110-380 |
| Номинальный выходной ток, А |
1-20 |
| Коэффициент полезного действия, % |
не менее 70 |
| Основная погрешность поддержания заданного тока от установленного значения, % |
5 |
В корпусе расположена высокооборотная газовая турбина с сопловым аппаратом. Выходной вал соединен с бесщеточным генератором переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Многофазное переменное напряжение генератора выпрямляется встроенными диодами и стабилизируется. Напряжение постоянного тока выводится из корпуса турбостанции при помощи специальных гермовыводов, к которым снаружи подключается кабель нагрузки.
Данное оборудование было установлено в ГРП №4 п. Разумное, ГРП п. Яковлево, ГРП №8 г. Губкин.
В ходе эксплуатационных испытаний было установлено следующее:
- турбогенератор, установленный в ГРП №4 п.Разумное, предназначенный для обогрева помещения совместно с регулятором давления газа не был запущен в работу;
- турбогенератор установленный в ГРП №8 г. Губкин, предназначенный для освещения помещения ГРП и работы телеметрии, находится в работоспособном состоянии;
- турбогенератор установленный в ГРП №4 п. Разумное в период отрицательных температур с увеличением расхода газа работает в нормальном режиме.
Выявленные недостатки при проведении эксплуатационных испытаний турбогенератора:
- рабочее давление после турбогенератора, которое в зависимости от расхода газа и «разгона» дает значительное сопротивление, что создает 10-и и более кратный перепад давления газа между выходным газопроводом после регулятора до турбины и выходным газопроводом после регулятора, в результате чего происходит срабатывание запорного клапана (ГРП №4 п. Разумное);
- генерация электроэнергии турбогенератором начинается только при значительном расходе газа (ГРП п. Яковлево), в период положительных температур (+10 и выше) из-за недостаточного расхода газа потребителями турбогенератор неподвижен;
- при производстве аварийных работ в ночное время использование освещения невозможно, так как для разборки и ремонта оборудования линии редуцирования необходимо перекрытие отключающих устройств и установка металлических заглушек на данном участке, в результате чего отсутствует расход газа для работы турбогенератора;
- включение турбостанции можно производить только при подключенной нагрузке.
Предлагаемое устройство может быть использовано не только на ГРП, но и в шкафном регуляторном пункте (ШРП) для получения электроэнергии с использованием имеющегося перепада давления.
Большинство ГРП (ШРП), расположено в труднодоступной местности, вдалеке от существующих сетей централизованного электроснабжения, поэтому для обеспечения надежного электроснабжения необходимо использовать автономную систему.
С учетом указанных недостатков ТСКЗиЭ автономная система электроснабжения на базе турбоустановки должна удовлетворять следующим условиям: не зависеть от сезонности расхода газа; обеспечивать электроснабжение потребителей при отсутствии расхода газа; обеспечивать всегда электрическую нагрузку при подключении турбогенератора.
Для выполнения этих условий целесообразно применять генерирующую установку гибридного типа.
Установка автономного электроснабжения должна состоять из турбогенератора, подающего клапана с пневмоуправлением, блока управления, блока контроля зарядки аккумуляторов, аккумуляторной батареи и дополнительного генератора электроэнергии, основанного на другом, отличном от турбогенератора, принципе получения электроэнергии.
На рисунке 1 представлена в качестве примера автономная гибридная установка электроснабжения станции катодной защиты при использовании в качестве дополнительного электрогенератора солнечных батарей.
Рисунок 1 – Автономная гибридная установка электроснабжения
Аккумуляторная батарея служит в качестве основного источника питания потребителей ГРП (СКЗ, ШРП), а в зависимости от времени года зарядка батарей осуществляется либо от турбогенератора, либо от резервного электрогенератора, либо совместно.
Компоновка автономной системы электроснабжения должна исключить сезонность, обеспечить электроснабжение потребителей при ремонтных работах на ГРП (ШРП), то есть при отсутствии расхода газа.
Основное электроснабжение ГРП осуществляется через стационарные электрические сети. Однако, учитывая то, что большинство ГРП, особенно небольших, расположено в сельской местности, где нередки сбои подачи электроэнергии, в состав ГРП приходится включать резервную систему электроснабжения. В настоящий момент это в основном аккумуляторные батареи с преобразователем напряжения. Наиболее актуальной проблемой является бесперебойная подача электроэнергии к насосам, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя в подогревателях газа перед редуцированием и обеспечение работоспособности САУ ГРП. Таким образом, включив в состав ГРП турбодетандерную установку мощностью 1-1,5 кВт, возможно решение данной проблемы.
Установка резервного электроснабжения должна состоять из турбогенератора, подающего клапана с пневмоуправлением, блока управления и вспомогательной аккумуляторной батареи.
При исчезновении электропитания потребителя от внешней электрической сети блок управления подает напряжение на двухпозиционный электромагнитный клапан, газ под давлением поступает в полость управления крана с подвижным седлом, он открывается, пропуская газ через турбогенератор. Происходит раскрутка турбогенератора. На время раскрутки электроснабжение блока управления турбогенераторной установки и оборудования потребителя осуществляется от собственной вспомогательной аккумуляторной батареи. Эта же аккумуляторная батарея служит для сглаживания возможных пульсаций напряжения в процессе работы турбодетандерной установки. По окончании установленного времени, необходимого на раскрутку генератора, блок управления подает напряжение на обмотку возбуждения генератора и генератор начинает вырабатывать электрический ток. Далее электроснабжение оборудования потребителя и подзарядка вспомогательной аккумуляторной батареи происходит от турбогенератора через тот же преобразователь напряжения.
При восстановлении внешнего энергоснабжения, как только на входе в блок управления появляется напряжение от внешней электрической сети, напряжение с управляющего двухпозиционного электромагнитного клапана снимается, давление из управляющей полости крана с подвижным седлом стравливается в атмосферу, происходит отсечка подачи газа к турбогенератору и он останавливается. Турбодетандерная установка переходит в дежурный режим работы.
Рассмотрев сложившуюся ситуацию при эксплуатационных испытаниях турбодетандерной установки, была выявлена необходимость в дополнительных исследованиях турбодетандеров с целью доработки существующей турбостанции, которые должны заключаться в следующем:
- улучшение характеристик узлов турбодетандера для обеспечения выработки электроэнергии при малых расходах газа;
- улучшение качества производства и сборки турбодетандера;
- исследование возможности использования турбодетандерной установки как основной установки редуцирования энергии газа;
- усовершенствование системы автоматизации и управления электромагнитным тормозом;
- разработка и испытание автономного гибридного генератора на базе турбодетандера.
Библиографический список