Турбодетандеры

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛА НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

   Вступление. Транспортируемый по магистральным газопроводам газ обладает потенциальной энергией сжатого состояния и кинетической энергией движения по трубе. Основная часть этой энергии диссипируется на пунктах редуцирования газа. С целью полезного использования перепада давления научно-производственным предприятием «Газэлектроприбор» разработаны и активно внедряются источники электроэнергии и тепла с приводом от турбины, помещённой в газовый поток. В этих установках реализован энергосберегающий, автономный, экологически чистый процесс получения электричества и тепла.   Основная часть. В России из года в год увеличивается добыча и потребление газа. В связи с этим идет активное строительство системы газоснабжения промышленных объектов и жилого сектора. Для транспортировки газа по газопроводам существует сеть дожимных компрессорных станций, на которых газу сообщается потенциальная энергия повышенного давления и кинетическая энергия движения по трубе. Компрессорные станции являются наиболее энергозатратными объектами газовой отрасли – потенциальная и кинетическая энергия, переданная на них газу, составляет около 8% от объема всего перекачиваемого газа и имеет вполне конкретную немалую стоимость. Часть переданной энергии, составляющая в среднем 10%, теряется на трение о стенки газопроводов. Основная же доля, являющаяся потенциальной энергией сжатого газа, рассеивается на пунктах редуцирования газа. Обычно снижение давления газа, транспортируемого по магистральному газопроводу, происходит в 2 этапа. Первый этап – это газораспределительная станция (ГРС), где давление от транспортного снижается до 1,2…1,6 МПа. И второй этап – снижение давления газа на газораспределительном пункте (ГРП) до давления необходимого потребителю 0,1…0,3 МПа. С целью полезного использования перепада давления газа научно-производственным предприятием «Газэлектроприбор» разработаны и активно внедряются турбодетандеры для выработки электроэнергии и тепла небольшой мощности для собственных нужд ГРС и ГРП. Известны подобные установки для выработки электроэнергии мощностью от 2 МВт до 6 МВт. Однако широкого применения они не нашли из-за больших строительных и эксплуатационных затрат, необходимости подогрева газа и длительных сроков окупаемости. Установки, предлагаемые НПП «Газэлектроприбор», рассчитаны на небольшую мощность от 0,01 кВт до 30 кВт, отличаются простотой конструкции и достаточной надежностью. Поскольку работа, отводимая из потока газа турбиной, невелика, температура газа снижается незначительно и не влияет на работу регуляторов давления газа. В то же время для предотвращения отрицательного влияния пониженной температуры на работу регуляторов, одним из схемных решений установки турбины является расположение её после регулятора, но до вывода импульсной трубки командного давления регулятора. В этом случае охлаждённый газ, протекая по газопроводу до потребителя, постепенно приобретает температуру окружающей среды  вследствие теплопередачи через стенку трубы и трения. В зависимости от рабочего давления и от допустимого срабатываемого перепада давления установки  автономного электроснабжения по конструктивному исполнению можно разделить на установки мощностью от 0,01 кВт до 10 кВт для ГРП и от 2 кВт до 30 кВт для ГРС. Установки для ГРП комплектуются генераторами постоянного тока с напряжением от 12 В до 48 В, что позволяет использовать их как станции катодной защиты, электропитания контрольно-измерительных приборов и телемеханики, а также для освещения. При необходимости установки комплектуются блоками преобразования напряжения до 220 В или 380 В с частотой тока 50 Гц. Наряду с задачей энергосбережения, основным преимуществом применения автономных источников электроэнергии на ГРП является отсутствие необходимости в подводе линии электропередач. В зависимости от потребностей заказчика установки могут быть выполнены: а) в отдельном блок-боксе (см. рис. 1), б) в помещении ГРС или ГРП. В этом случае электрогенерирующий модуль с запорно-регулирующей арматурой находится в технологическом помещении ГРС или ГРП, а система КИПиА, электрошкаф и инвертор – в операторной.   Рис. 1   Возможна также поставка отдельно электрогенерирующего модуля с постоянным напряжением на выходе для непосредственного электропитания катодной защиты и других потребителей постоянного тока. Габаритные и присоединительные размеры электрогенерирующего блока турбостанций для ГРС на давление 6,3МПа и 1,6МПа показаны на рис.2 и в соответствующих таблицах.   Рис. 2   Таблица «Габаритные и присоединительные размеры электрогенерирующего модуля турбостанций на Рраб=6,3 МПа»:
Мощность, кВт L, мм D, мм Присоединит. фланец d, мм
1 1250 405 1-50-63 58
2 1250 405 1-50-63 58
3 1250 405 1-50-63 58
5 1490 470 1-50-63 58
10 1490 470 1-50-63 58
20 1780 530 1-100-63 110
30 1780 530 1-100-63 110
  Таблица «Габаритные и присоединительные размеры электрогенерирующего модуля турбостанций на Рраб=1,6 МПа»:
Мощность, кВт L, мм D, мм Присоединит. фланец d, мм
0,01 300 140 1-50-16 58
0,1 500 200 1-50-16 58
0,6 680 240 1-50-16 58
  В установках мощностью 2 кВт – 30 кВт применяются бесконтактные синхронные генераторы переменного тока с частотой 50 Гц и с линейным напряжением 220 В. Установки комплектуются системой контроля и автоматического управления, а также трубной обвязкой с запорно-регулирующей и предохранительной арматурой. Схема обвязки установки показана на рис.3.   Рис. 3 Пневмогидравлическая схема обвязки ТСКЗиЭ-ГРС
  1. Входной коллектор; 2,4. Краны ГРС; 3. Регуляторы давления газа ГРС;
  2. Коллектор на выходе; 6,9,14,21. Шаровые краны; 7. Регулятор перепада давления газа;
  3. Электроклапан остановки турбогенератора; 10,17,23. Запорно-регулирующие краны;
  4. Предохранительный клапан; 12. Турбогенератор; 13. Труба на выходе ДУ100;
  5. Патрубок сброса конденсата; 16. Труба перепуска газа; 19. Буферная ёмкость;
20.Клапан НЗ с электромагнитным приводом; 22.Клапан НО с электромагнитным приводом
  1. Кабель КИП-ПВ3х6-1,5х4; 25. Кабель силовой ПВ3х6-5,2х4;
  2. Нагрузка; 27. Пульт управления; 28. Балластная нагрузка
  Принципиальная электрическая схема подключения ТСКЗиЭ в электросистему ГРС (рис. 4) разработана согласно стандарта Газпром совместно с отделом энергетики ОАО «Газпром» и ДП «ВнииГаз». Для контроля за режимами работы турбостанции есть возможность подсоединения к контроллеру системы автоматического управления GSM-модуля для передачи параметров работы на диспетчерский пункт. Развитием данного направления работ является создание маломощных источников электропитания (от 10 до 100 Вт) для электроснабжения систем телемеханики и связи, передающими по мобильной связи на центральный диспетчерский пункт данные с ГРС и ГРП о расходах, давлениях и температурах газа. Действующий агрегат для электропитания систем телемеханики, установленный на ГРП г.Белгорода, представлен на фото 1.     Перспективным направлением является применение высокооборотных турбин, имеющих высокие значения КПД и удельной мощности, которые через редуктор, понижающий частоту вращения выходного вала, соединяются с ротором электрогенератора. При одинаковом срабатываемом перепаде давления газа, по сравнению с безредукторной схемой, потребный расход газа в данной установке меньше примерно на 30%. Усложнение конструкции привода электрогенератора добавлением редуктора оправдано при применении установки в системах газоснабжения, где возможно значительное снижение расхода газа потребителем, но в то же время, недопустимо снижение мощности вырабатываемой электроэнергии. В газораспределительных пунктах для штатной работы регуляторов давления, отсечных и сбросных клапанов, контрольно-измерительных приборов предусмотрен подогрев помещения в зимнее время года. Для этого к ГРП пристраивается топочная, где установлен водяной газовый котел, к которому предусмотрен подвод отдельной линии редуцирования газа. Научно-производственным предприятием «Газэлектроприбор» разработан турбонагреватель, преобразующий потенциальную энергию избыточного давления газа непосредственно в тепло. Установка представляет собой  газодинамический нагреватель, использующий явление нагрева газа при его сжатии. Теплоносителем в данном случае является газ, перекачиваемый в контуре компрессора. Подогретый таким образом газ или подогревает помещение непосредственно через нагревательный регистр, или через теплообменник нагревает воду в системе водяного отопления (см. рис. 5). В данном случае комплексно и экологически чисто решается задача утилизации «бросовой» энергии перепада давления газа и пожаробезопасности. Основным элементом предлагаемых установок является осевая или центростремительная турбина.     Разработана методика расчёта и графического построения на компьютере профилей рабочего колеса турбины и соплового аппарата в зависимости от их конструкции параметров протекающего газа. На рис.6 показан пример результатов расчёта турбинной ступени. На основании этих расчетов разработан типоразмерный ряд ТСКЗиЭ с габаритными и присоединительными размерами агрегатов. Эти размеры представлены на рис. 2 и в соответствующих таблицах. Ведутся работы по созданию математической модели турбостанции электропитания. Если подобная турбина изготавливается впервые, то она обязательно подвергается продувкам воздухом на газодинамическом стенде предприятия. В результате продувок получаем номограммы зависимости мощности и частоты вращения рабочего колеса турбины от расхода, степени парциальности, перепада давления и температуры воздуха. Полученные экспериментальные данные для воздуха пересчитываем на природный газ для оптимизации  параметров газового потока, в который будет помещена турбина. Предлагаемые НПП «Газэлектроприбор» энергоустановки защищены несколькими патентами на изобретение, разрешены к серийному производству и имеют сертификат соответствия Госстандарта России за № РОСС UA АЮ64.АО8704 согласно протокола испытаний №32 от 25.09.2006г ИЦ ПП «Ростест-Москва». На изделия разработаны технические условия ТУ У 31.1-2517896 3-002-2004. Получено разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России №РРС 00-30130. Разработки НПП «Газэлектроприбор»:
  • получили первую премию на Конкурсе инноваций-2006 журнала «Эксперт»,
  • стали лауреатом конкурса «Лидер топливно-энергетического комплекса-2006» в номинации «Энергосберегающий проект».
С августа 2007г. проводятся предварительные испытания на дочернем предприятии «Газпрома» ОАО «Электрогаз» в г.Краснодар и идет подготовка к межведомственным приемочным испытаниям на одной из ГРС «Лентрансгаза». Также на I кв. 2009г. назначен пуск в эксплуатацию турбоустановки мощностью 10 кВт на ГРП Выхино-Головино предприятия «Мосгаз». Данные установки пользуются все большим спросом и активно внедряются на ГРС и ГРП. Специалистами предприятия было изготовлено, смонтировано «под ключ» и запущено в эксплуатацию 50 турбоустановок  на украинских, российских, туркменских ГРС и ГРП. В частности, в эксплуатации находятся 3 турбоустановки на объектах облгаза Кабардино-Балкарии, 2 турбоустановки и 1 турбонагреватель на объектах «Белгородоблгаза».   Выводы. В предлагаемых турбоустановках комплексно решены задачи утилизации энергии сжатого газа, полной автономности и экологически чистого процесса, не требующего сжигания топлива. Наряду с газодизельными электрогенераторами и термоэлектрогенераторами очень перспективным является применение электрогенераторов с турбодетандерным приводом производства НПП «Газэлектроприбор». Презентация ТСКЗ