В настоящее время основными электроприводами для электростанций собственных нужд объектов нефтедобычи с энергоносителем в виде попутного нефтяного газа являются: газопоршневые и газотурбинные двигатели.
Поскольку применение сернистого газа в качестве топлива, способствует выходу из строя агрегата, образованию нагаров, отложений, приводит к возникновению коррозии металлов, эрозии в газоподводящей системе, возникает необходимость осуществлять предварительную очистку попутного нефтяного газа.
Такие воздействия нельзя снизить путем применения масел с высоким общим щелочным числом или заменой масла. В настоящее время существует много способов, которые позволяют снизить содержание сероводорода в топливном составе, например химические активные фильтры, реактивные слои и растворы. Однако, применение данных средств неэффективно после истощения реактивных химических элементов. Даже недолговременная эксплуатация электропривода с применением высокосернистого газа способна вывести из строя агрегат, повредив его составные части.
Для газопоршневых агрегатов допустимое содержание сероводорода в топливе должно быть не более 0,1% [Сердюкова , с. 14], поэтому использование этого типа генерирующего агрегата в качестве источника питания для покрытия электрических нагрузок нефтяного месторождения сопряжено с дополнительными затратами на систему очистки попутного нефтяного газа. На рисунке 1 представлена система очистки ПНГ, реализованная компанией «Татнефть»:
Рисунок 1 – Система очистки попутного нефтяного газа
Основным преимуществом газотурбинных агрегатов является: отсутствие детонационных явлений, возможность эксплуатации при повышенном содержании сероводорода в топливном газе (в газотурбинных установках OPRA до 5%, Capstone до 7%).
Характеристики микротурбинных агрегатов сведены в таблицу [Пожидаев, с. 29, ].
Таблица 1 – Характеристики микротурбинных агрегатов
| Компания |
Capstone Turbine Corporation |
Toyotaturbine and system |
Capstone Turbine Corporation |
Ingersoll-Rand Energy System |
Honeywell Power Systems |
Bowman power |
Bowman power |
Elliott Energy Systems |
Turbec |
Capstone Turbine Corporation |
Ingersoll-Rand Energy System |
| Производитель |
США, Калифорния |
Япония |
США, Калифорния |
США, Нью-Гемпшир |
США |
Великобритания |
Великобритания |
США, Флорида |
Великобритания, Хэмпшир |
США, Калифорния |
США, Нью-Гемпшир |
| Модель |
C30 |
TPC-50R |
С65 |
МТ70 |
Parallon 75 |
Turbogen TG80RC-G |
Turbogen TG80SO-G |
TA100 CHP |
T100 |
С200 |
MT250 |
| Электрическая мощность, кВт |
30 |
50 |
65 |
70 |
75 |
80 |
80 |
100 |
100 |
200 |
250 |
| Тепловая мощность, кВт |
60 |
- |
120 |
92 |
90 |
216 |
136 |
172 |
155 |
250-375 |
263-366,3 |
| Электрический КПД, % |
26 |
12,6 |
29 |
28 |
28,5 |
22-28 |
28 |
29 |
30 |
34 |
30 |
| Частота вращения ротора, (об/мин) |
96000 |
80000 |
96000 |
- |
85000 |
68000 |
68000 |
68000 |
70000 |
60000 |
45000 |
| Вид топлива |
природный газ, пропан, бутан, попутный газ, биогаз, шахтный или коксовый газ, пиролизный газ, древесный газ |
природный газ, керосин, сжиженный нефтяной газ, LPC |
природный газ, пропан, бутан, попутный газ, биогаз, шахтный или коксовый газ, пиролизный газ, древесный газ |
природный газ |
природный газ, дизельное топливо, керосин или пропан |
природный газ, пропан, бутан |
Природный газ, пропан, бутан |
природный газ |
природный газ, биогаз, дизтопливо, керосин, метанол, LPC |
природный газ, керосин, дизель, попутный газ |
природный газ |
| Расход топлива, м3/час |
12 |
22 |
23,7 |
25 |
30 |
28 |
32,8 |
33,3 |
65 |
76,9 |
|
| Давление топлива на входе, бар (изб.) |
3,8–4,1 (без компрессора) 0,01–1,0 |
0,015-0,025 |
4,5 (без компрессора) 0,20 |
0-0,01 |
5,17 – 5,86 |
4,1-5,6 |
4,1-5,6 |
0,034-0,345 |
0,02-1,0 |
0,02-5,3 |
13,79 |
| NOx, при 15% O2, ppm |
< 9 |
9 (16% O2) |
< 5 |
<3 |
<50 в день |
<25 |
25 |
<24 |
<15 |
< 9 |
5-9 |
| Габариты (Д*Ш*В), мм |
1524*762*1956 |
1000*2100*1850 |
1956*762*1931 |
1810*10800*2220 |
2334*1219*2163 |
3100*880*1920 |
2180*880*1920 |
3100*850*1930 |
2770*900*1810 |
3660*1700*2490 |
3354*2169*2278 |
| Масса, кг |
405 |
2000 |
758 |
2200 |
1295 |
1930 |
1350 |
1860 |
2250 |
3180 |
5440 |
Как видно из таблицы диапазон электрических мощностей составляет 30-250 кВт, тепловых 60-366 кВт. Коэффициент полезного действия газогенераторных установок различных фирм-производителей находится в пределах 12,6-34%. Частота вращения ротора находится в диапазоне 45000-96000 об/мин. Основным типом топлива является природный газ, однако, для ряда газотурбинных установок, компаниями предложены модификации позволяющие с использовать газ с содержанием агрессивных компонентов. В настоящее время, компанией Capstone Turbine Corporation разработаны микротурбинные установки с номинальной электрической мощностью до 1000кВт.
Для большинства представленных в таблице установок генератором является синхронная машина с постоянными магнитами. Понижающий редуктор является связующим звеном между генератором и нагрузкой в агрегатах компаний Ingersoll-Rand Energy System, Toyota turbine and system. Другие производители изготавливают газотурбинные установки, в которых осевой компрессор, турбина, нагрузка имеют одинаковую частоту вращения, так как находятся на одном валу. Основной проблемой, связанной с применением высокочастотного синхронного генератора, является выработка электроэнергии с повышенной частотой тока, что приводит к необходимости согласования величин напряжений генератора и нагрузки. Кроме того, для выхода привода в генераторный режим необходимо выбрать рациональный способ пуска, обеспечивающий безопасную и долговременную работу агрегата.
Газогенераторы фирмы OPRA и Capstone получили наиболее широкое распространение, по сравнению с другими газовыми генерирующими агрегатами. Недостатком применения микротурбин OPRA является более сложное конструктивное исполнение: значительное количество подшипников качения, необходим сжатый воздух на регулирующие клапана, наличие нагрузочных устройств и пускового дизель-генератора. Применение генераторных устройств OPRA, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ, оправданно в условиях генерации больших мощностей и наличии больших объемов попутного нефтяного газа. В условиях малых компаний целесообразно использование газогенераторов Capstone. Микротурбины Capstone имеют более гибкую возможность регулирования мощности, отсутствие необходимости создания большого парка емкостного оборудования газоподготовки.
Библиографический список
- Сердюкова А. Микротурбинные энергоцентры для утилизации ПНГ на объектах ОАО АНК ≪Башнефть» // Химическая техника. 2014. №3. С.14-17.
- Пожидаев В.М. Микрогазотурбинные электроагрегаты – новое направление в малой энергетике // Академия энергетики. 2005. №4. С. 26-33.
- Sakai Ryo Development Of A High-Efficiency 50kw Micro Gas Turbine Cogeneration System / Ryo Sakai, Toho Gas Co., Koji Ishibashi, Toho Gas Co., Akio Mori, Toyota Turbine and Systems Inc. URL: http://www.igu.org/html/wgc2003/WGC_pdffiles/10462_1045532585_19253_1.pdf (дата обращения: 26.05.2014)