Использование турбинного привода для получения электроэнергии и тепла на объектах газовой промышленности

Аннотация

В статье рассматривается отечественная разработка турбинной установки, вырабатывающей электричество за счет энергии компримированного и поступающего по трубопроводу природного газа. Обоснован экономический эффект изобретения, имеющего ряд патентов. Рассмотрены перспективы применения данной энергетической установки в качестве альтернативного источника возобновляемой энергии на труднодоступных объектах ПАО «Газпром».

Транспортируемый по магистральным газопроводам газ обладает потенциальной энергией сжатого состояния и кинетической энергией движения по трубе. Эта энергия передаётся газу на дожимных компрессорных станциях и на её создание затрачивается до 10% перекачиваемого газа. Часть переданной энергии теряется на нагрев окружающей среды и на преодоление трения о стенки газопроводов. Основная же доля, являющаяся потенциальной энергией сжатого газа, рассеивается на пунктах редуцирования газа. Ежегодно в системах газораспределения на газораспределительных станциях (ГРС), компрессорных станциях (КС) и газораспределительных пунктах (ГРП) ПАО «Газпром», вследствие снижения давления газа до заданного уровня перед подачей его потребителям, теряется до 50 млрд. кВт/ч энергии — в процентном соотношении этот энергопотенциал распределяется: на ГРС — 30%, КС (топливный газ) — 15%, ГРП — 55%. В России более 4 тыс. ГРС, 254 КС и более 120 тыс. ГРП и узлов учета. Около 1000 объектов имеют энергопотенциал для установки турбодетандерных электрогенерирующих агрегатов мощностью более 300 кВт, на остальных можно использовать подобного типа устройства мощностью от 0,2 кВт и больше. Общая максимальная мощность энергогенерирующих установок может составить 5 700 тыс. кВт. Если даже применять турбодетандеры только на вновь строящихся или неэлектрифицированных объектах, потенциал энергосбережения останется достаточно объёмным и привлекательным. Существует также возможность изготовления энергогенерирующих устройств для установок подготовки газа (УПГ) и линейной части магистральных газопроводов (МГ).

Использование потенциальной энергии сжатого газа

С целью полезного использования перепада давления нашим научно-производственным предприятием разработаны и активно внедряются источники электроэнергии и тепла небольшой мощности для собственных нужд ГРС и ГРП с приводом от турбины, помещённой в газовый поток. В этих установках реализован энергосберегающий, автономный, экологически чистый процесс получения электричества и тепла.

Обычно снижение давления газа, транспортируемого по магистральному газопроводу, происходит в два этапа. Первый этап – это ГРС, где давление от транспортного 5,5-8,0 МПа 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.

Выпускаемые предприятием турбодетандерные установки, рассчитаны на мощность от 0,2 до 20 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 установки автономного электроснабжения по конструктивному исполнению можно разделить на системы мощностью от 0,2 до 5,0 кВт для ГРП и от 2 до 20 кВт для ГРС. Установки для ГРП комплектуются генераторами постоянного тока с напряжением от 12 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 или 380 В с частотой тока 50 Гц. Наряду с задачей энергосбережения, основным преимуществом применения автономных источников электроэнергии на ГРП служит отсутствие необходимости в подводе линии электропередач.

В зависимости от потребностей заказчика установки могут быть выполнены:

1. в отдельном блок-боксе (см. рис. 1),
2. 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.

Возможна также поставка отдельно электрогенерирующего модуля с постоянным напряжением на выходе для непосредственного электропитания катодной защиты и других потребителей постоянного тока (см.фото).

Турбодетандер электропитания 2 кВт (Кабардино-Балкария)

Габаритные и присоединительные размеры электрогенерирующего блока турбодетандерных станций для ГРС на давление 6,3МПа показаны на рис.2 и в таблице.

Принципиальная электрическая схема подключения турбодетандера в электросистему ГРС разработана согласно стандарта Газпром.

Для контроля за режимами работы турбодетандерного агрегата есть возможность подсоединения к контроллеру системы автоматического управления GSM-модуля для передачи параметров работы на диспетчерский пункт. Развитием данного направления работ является создание источников электропитания 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.(см. фото)

Турбодетандерная установка электропитания узла учёта и телеметрии

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 отопительный бокс, где установлен водяной газовый котел, к которому предусмотрен подвод отдельной линии редуцирования газа с отдельным счётчиком газа для собственных нужд. Нашим научно-производственным предприятием разработан турбонагреватель, преобразующий потенциальную энергию избыточного давления газа непосредственно в тепло. Установка представляет собой газодинамический нагреватель, использующий явление нагрева газа при его сжатии в контуре компрессора. Энергия для привода компрессора снимается турбиной из потока газа. Теплоносителем в данном случае является газ, перекачиваемый в контуре компрессора. Подогретый таким образом газ или греет помещение непосредственно через нагревательный регистр, или через теплообменник нагревает воду в системе водяного отопления (см. рис. 3). В данном случае комплексно и экологически чисто решается задача утилизации «бросовой» энергии перепада давления газа, экономии на строительстве и комплектации котельного отделения и пожаробезопасности (патент на полезную модель №49960 ) (см.фото).

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 параметров протекающего газа. На рис.4 показан пример результатов расчёта турбинной ступени. В настоящее время ведутся работы по созданию математической модели турбодетандерной станции 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.

Специалистами предприятия разработан принципиально новый ГРП на основе турбодетандерной станции катодной защиты и электропитания (ТСКЗиЭ) с электроприводным регулятором давления, с возможностью выработки злектроэнергии для различных нужд и технического учёта газа. Такой ГРП может стать основополагающим элементом «умных» газовых сетей и шагом к шестому технологическому укладу в нефтегазовой отрасли.

Огромный потенциал энергии сжатого газа находится непосредственно на газовых промыслах, где его скопление произошло в силу естественных природных условий. Известны турбодетандерные установки, применяемые на установках подготовки газа (УПГ) для его охлаждения и осушки. Также возможна, на уже очищенном газе после дросселей и фильтров-сепараторов, установка турбодетандера для выработки электроэнергии. Такая турбодетандерная станция электрической мощностью 20кВт была разработана на нашем предприятии и эксплуатируется на малодебитном месторождении Ракитное (см.фото)

Использование кинетической энергии протекающего по трубе газа

В настоящее время в системе газоснабжения России основной составляющей являются магистральные газопроводы. Электроснабжение линейных потребителей магистральных газопроводов является одной из насущных задач сферы энергообеспечения отрасли. Источники электроэнергии на магистральных газопроводах применяются для электрохимической защиты, электропитания приводов запорной арматуры, устройств телеметрии и телемеханики, связи, КИП и т. д.

Предлагается электрогенерирующее устройство, предназначенное для выработки электроэнергии на линейных участках магистральных газопроводов посредством помещения в газовый поток турбины вертикального типа, сопряжённой с электрогенератором. Данная турбина, воспринимая потенциальную и кинетическую энергию потока газа, создаёт минимальный перепад давления в газопроводе, который совершенно не критичен для эксплуатационщиков, но позволяет вырабатывать необходимое количество электроэнергии. Принцип работы предлагаемого изделия состоит в том, что турбина телескопически выдвигается в газовый поток, где начинает вращаться под воздействием движущегося газа и приводит во вращение электрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Далее ток из корпуса изделия, находящегося под давлением до 10,0 МПа, выводится наружу через специальный гермовывод, включающий силовые и управляющие проводники. Периодический вход и выход турбины из трубы необходим для того, чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение по магистральному газопроводу очистных и диагностических поршней. Механизм микролифта, осуществляющего выдвижение турбины в трубу, может иметь ручной, пневматический, гидравлический или электрический привод. В случае использования автоматизированного микролифта возможно дистанционное управление агрегатом с диспетчерского пункта с помощью системы телемеханики.

Типоразмерный мощностной ряд изделий планируется в диапазоне от 0,5 до 15,0 кВт. Устройство может поставлять напряжение 24 и 48В постоянного тока или 220 и 380В переменного тока в зависимости от потребностей заказчика. В настоящее время разработаны три основные конструкции изделия по виду турбин, произведены расчеты мощности в зависимости от параметров газового потока, изготовлен, испытан на стендах и подготовлен к опытно-промышленной эксплуатации действующий образец (на фото потоковая турбина выдвинута микролифтом в трубопровод).

Монтаж изделия возможен на вновь строящихся газопроводах, в местах крановых развязок, методом приварки патрубка с фланцем или тройника с фланцем, на котором оно будет крепиться. Также можно смонтировать изделие на действующем газопроводе не сбрасывая давление газа, используя технологию «холодной» врезки.

Данный источник электроэнергии предлагается для замены автономных блочных энергетических установок, работающих на основе термоэлектрических генераторов (ТЭГ), твёрдотопливных элементов, дизель-генераторов, а также для импортозамещения паровых турбоустановок «ORMAT», газоэлектрогенераторов «HONDA», микротурбинных установок «CAPSTONE» и др. Проведенное предварительное технико-экономическое сравнение предлагаемой установки с ТЭГами, твёрдотопливными элементами и установками «ORMAT» показало окупаемость на этапе капстроительства, а с дизельными и газовыми генераторами до полугода, вследствии отсутствия потребления топлива. Предлагаемая установка, не сжигая газ, из энергии потока движущегося перекачиваемого газа в десятки мегаватт извлекает сотые доли процента, но уже в нужном месте, где требуется электроэнергия.

Предлагаемое инновационное, высокоэффективное решение для электроснабжения линейных потребителей электроэнергии позволитсогласно Программы импортозамещения:

1. Организовать электропитание приводов шаровых кранов газопровода «Сила Сибири» и «Ухта-Торжок».
2. Заместить по программе импортозамещения ОАО «Газпром» дорогостоящие установки «ORMAT» c замкнутым паровым циклом и осуществить электроснабжение задвижек «MOV» и «SKADA».
3. Организовать электропитание электрогидроприводов для дистанционного управления импортными шаровыми кранами Рраб.=9,8МПа диаметрами от 300мм до 1400мм в количестве 988 шт. согласно п 1.1.1 раздела трубопроводная арматура в «Перечне наиболее важных видов продукции для импортозамещения и локализации производства с целью технологического развития ОАО «Газпром»» .
4. Заместить ТЭГи, которые имеют низкий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую.
5. Заместить микротурбинные установки «CAPSTONE», которые требуют высокой степени очистки газа, что не всегда возможно обеспечить. Также высокие рабочие обороты (до 92000 об/мин), значительно уменьшая массогабаритные показатели, отрицательно сказываются на ресурсе, который на этих установках мал.
6. Заместить, на участках, где имеется достаточный поток газа, поршневые электрогенераторы, которые вследствие возвратно-поступательного движения поршня имеют ограниченный ресурс.

Новые перспективные разработки

В ПАО «Газпром» широко применяются электрические генераторы (ТЭГ) на основе термоэлектрических модулей, вырабатывающих электричество из разницы температур поверхностей. Конструкция представляет из себя газовую горелку, разогревающую тепловую трубу, на поверхности которой расположены термоэлементы; снижение температуры «холодной» стороны термоэлемента обычно обеспечивается жидкостными радиаторами. Коэффициент полезного действия таких установок редко достигает 5%, то есть для получения 4 кВт электрической мощности, необходимо произвести около 100 кВт тепловой. Мы предлагаем в случаях использования ТЭГов на пунктах понижения давления, применить установку, превращающую механическую энергию в тепловую без сжигания газа. В показанном на рис.5 устройстве термоэлементы «горячей» стороной контактируют с поверхностью неподвижного стального цилиндра, разогреваемого токами Фуко, созданными магнитным полем вращающегося ротора с закреплёнными в нём постоянными магнитами, приводимым в движение рабочим колесом турбины.

В то же время низкая температура «холодной» стороны термоэлементов обеспечена детандированным, охлаждённым после турбины газом. На сегодняшний момент есть изготавливаемые на отечественных предприятиях (например завод «Риф», Воронеж) цилиндрические термоэлементы, наиболее подходящие для применения в предлагаемом изделии.

Однако турбина не всегда может выдержать условия в потоке газа. Например, наиболее энергонасыщенный поток газа непосредственно на промысле находится до дросселя и сепаратора, Тяжёлые условия из-за наличия механических примесей и капельной жидкости зачастую не позволяет установку в этом месте турбодетандера. Для такого участка предлагается изделие, где проходящим газом, посредством эффекта струйного насоса, придаётся движение магнитной жидкости по специальному магнитопроницаемому кольцевому трубопроводу. Далее системой постоянных магнитов, установленных снаружи трубопровода необходимо сориентировать магнитные частицы жидкости, а системой катушек статора снять электрический ток. Система постоянных магнитов не даст улететь частицам магнитной жидкости с проходящим потоком газа, а дополнительно препятствовать уносу будет выходной электромагнитный сепаратор. Если газом закрутить по электроизолированному кольцу электролит, также с сориентированными с помощью постоянных магнитов частицами, то электрический ток снимать нужно будет с расположенных внутри трубы электродов.

Данное изделие является магнитогидродинамическим (МГД) генератором, использующим кинетическую и потенциальную энергию газового потока и позволяющим заменить колесо турбины в месте, где оно не выдерживает механических нагрузок. Также в этом случае мы не нуждаемся в подшипниковых опорах, что снимает большую проблему для тяжёлых условий эксплуатации. Энергонасыщенный газовый поток в данном участке технологической цепи подготовки газа, даже при невысоком суммарном КПД установки позволит снимать немалую энергию. В лабораторных условиях подтверждена работоспособность метода, но для доведения до рабочего образца необходимо проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Разработанные нами установки обладают рядом существенных преимуществ:

1. Не требуется сжигание топлива.
2. Полная автономность.
3. Электроэнергия и тепло вырабатываются экологически чисто.
4. Полезное использование потенциальной и кинетической энергии газа.
5. Широта допустимых значений параметров движущегося газа.
6. Нет необходимости прокладывать линии электропередач.
7. Вандалозащищенность.
8. Высокая надежность.

Предлагаемые нами энергоустановки защищены несколькими патентами на изобретения и на полезные модели, реализованы на действующих объектах нефтегазовой отрасли.

Наша деятельность – изобретения и внедрение энергосберегающего оборудования для безтопливного, «зелёного» получения электроэнергии, тепла и холода — помогает сохранять природу. Осознание того, что мы вносим свой вклад в очищение воздуха, бережем от вырубки деревья, дает силы и вдохновение в работе.