Использование перепада давления на ГРС для выработки электрической энергии

с.н.с., к.т.н., Пятничко А.И.,aipkiev@ukr.net
н.с. к.т.н., Сергій Крушневич
admin@sergeyk.kiev.ua
Институт газа НАН Украины

Существующая газотранспортная система Украины (ГТС) может обеспечить транзит газа через свою территорию  в объеме до 170 млрд.м3/год по газопроводам высокого давления общей протяженностью 33 тыс. км. В последние годы потоки природного газа через Украину существенно снизились до уровня 104-110 млрд.м3/час, при планируемом потреблении газа на внутренние нужды в 2012 году в объеме 62 млрд.м3/год.

Подача газа потребителям обеспечивается газопроводами низкого давления. Отвод газа к потребителю от магистрального газопровода и снижение его давления происходит на газораспределительных станциях (ГРС) и пунктах (ГРП), при этом энергия от расширения газа безвозвратно теряется в окружающую среду. На ГРС давление газа снижают до 1,2-1,6 МПа и затем на ГРП до давления 0,1-0,3 МПа [1]. Расчеты показывают, что при использовании перепада давления на ГРС на каждые 1000 м3 природного газа, при расширении в турбодетандерных установках от 4,0 до 0,6 МПа можно выработать 47 кВт·ч электрической энергии и примерно столько-же холода на уровне -100 °С. Решением ДК «УкрТрансГаз», НАК «Нафтогаз Украины» и Энергетической стратегией Украины на период 2006-2010 годов предусматривать создание 54 утилизационных турбодетандерных электростанций на ГРС суммарной мощностью 300 МВт, однако эти работы не были начаты. Необходимые капитальные затраты оценивались в 725 млн. грн. Ожидаемая экономия природного газа составляет 0,8 млрд.м3/год, при производстве электроэнергии в объеме 1,5…2,0 млрд. кВт·ч.

В этой статье ставилась задача оценить суммарный энергетический потенциал и целесообразность использования перепада давления на ГРС для выработки электрической энергии.

Упрощенная схема ГРС (ГРП) представлена на рисунке 1. Газ из магистрального газопровода отбирается с высоким давлением, подается на дросселирующее устройство, где природный газ расширяется до нужного давления. В результате расширения температура существенно снижается (рис. 2) и для подачи потребителю газ нагревается с помощью огневых подогревателей до температуры +10 °С.

Упрощенная схема ГРС

Рисунок 1. Упрощенная схема ГРС

Обмерзание трубопровода после дросселя

Рисунок 2. Обмерзание трубопровода после дросселя.

Чаще всего на территории ГРС нет потребителей холода, поэтому вся энергия расширения газа напрасно теряется.

Нами было проведено исследование возможности выработки электрической энергии на ГРС «Белая Церковь» за счет энергии расширения природного газа со следующими исходными данными:

Pн = 4 МПа;
Pк=0.3 ? 0.6 ? 1.2 МПа;
tн = tк = +10 °С

Qн = Qк = 22000 ст.м3/час

где:    н – начальное значение (параметры магистрального газопровода);

к – конечное значение (параметры газопровода потребителя).

Получение механической энергии на перепаде давлений выполняется с помощью детандерной установки. В связи с тем, что расширение с помощью детандера приводит к более существенному снижению температуры газа, то для экономического сравнения в расчетах присутствует расход топливного газа для огневого подогревателя с характерным тепловым h = 40 %. В дальнейшем природный газ, который подается потребителю будем называть «транзитный газ», а используемый для подогрева транзитного газа – «топливный газ».

Все расчеты выполнялись с помощью программы термодинамических расчетов ГазКондНефть [2], результаты представлены в таб. 1. Для схемы с детандером представлены два варианта расчетов: при подогреве газа перед (рис. 3а) и после детандера (рис. 3б).

Рисунок 3. Расширение транзитного газа с помощью детандера.
Д – детандер; Г – генератор; ТГ – топливный газ; ТрГ – транзитный газ; П – подогреватель; ГТД – газотурбинный двигатель; ТО – теплообменник; ПС – продукты сгорания
а – подогрев газа после детандера; б – подогрев газа перед детандером; в – подогрев транспортного газа теплотой продуктов сгорания ГТД.

 Таблица 1. Сравнение параметров при расширении природного газа на дросселе и детандере.

Тип

Параметр

Давление газа на выходе, МПа

0,3

0,6

1,2

Дроссель

Температура транзитного газа после дросселя, °С

-11,3

-9,4

-5,8

Количество тепла для подогрева транзитного газа после дросселя (tк=10°С), кДж/час (кВт)

693 098
(192,5)

639 767
(177,7)

532 631

(148,0)

Затраты топливного газа на подогрев транзитного газа после дросселя (h = 40 %), нм3

52

48

40

Детандер (нагрев после)

Температура транзитного газа после детандера, °С

-106,7

-83,6

-55,5

Мощность детандера, кВт

836

663

460

Количество тепла для подогрева транзитного газа после детандера (tк=10°С), кДж/час (кВт)

3 700 791
(1 028)

3 027 515
(841)

2 186 638
(607)

Затраты топливного газа на подогрев транзитного газа после детандера (h = 40 %), нм3

277

227

164

Детандер (нагрев перед)

Количество тепла для подогрева транзитного газа перед детандером (tк=10°С), кДж/час (кВт)

5 948 932

(1 652)

4 341 993
(1 206)

2 795 832

(776)

Мощность детандера, кВт

1460

1028

624

Затраты топливного газа на подогрев транзитного газа после детандера (h = 40 %), нм3

446

325

209

Температура транзитного газа перед детандером, °С

165,9

125,4

85,0

Как видно из результатов расчетов – при использовании детандера температура транзитного газа на его выходе в десять раз ниже, чем при использовании дросселя (рис. 4), что приводит к повышенному расходу топливного газа в огневом подогревателе. Подогрев транзитного газа перед детандером увеличивает его работоспособность на 60-70 %, но это также приводит к возрастанию расхода топливного газа на 60-80 %.

Зависимость мощности детандера и снижения температуры на его выходе от степени расширения (ПИк) транзитного газа

Рисунок 4. Зависимость мощности детандера и снижения температуры на его выходе от степени расширения (?к) транзитного газа.

По данным ДК «Укртрансгаз» в 2011 году транспорт природного газа для потребителей в Украине составил 51686,9 млн.м3 [3]. Исходя из полученных выше данных, при принятом среднем давлении в магистральном газопроводе 4 МПа и конечном давлении 0,6 МПа на детандере с предварительным подогревом транзитного газа можно получить следующую мощность:

46,7273  · 51686,9 млн.ст.м3 = 2415 ГВт мех. работы = 2294 ГВт эл. энергии (h=0.95). (1)

Затраты топливного газа для подогрева транзитного газа после дросселирования с помощью дроссельного устройства (hнагрева = 40 %):

0,00218    · 51686,9 млн.м3= 112,77 млн.м3 (2)

Затраты топливного газа для подогрев транзитного газа перед детандером (hнагр = 40 %):

0,0148    · 51686,9 млн.м3= 763,56 млн.м3 (3)

Учитывая высокие затраты топливного газа для огневых подогревателей транзитного газа было принято решение установить газотурбинный двигатель малой мощности для выработки электрической энергии и использовании тепла уходящих газов для предварительного подогрева транзитного газа перед детандером (рис. 3в). Для расчетов приняты два двигателя мощностью 1 МВт (ЭГ-1000 Мотор-Січ [4])  и 3 МВт (UGT3000 [5] «Зоря»-«Машпроект») с следующими характеристиками приведенными в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики ГТД.

Параметр

UGT3000

ЭГ-1000

Мощность, МВт

3,36

1

КПД, %

31

24

Расход топлива, нм3/час;

1088,6

450,7

Расход продуктов сгорания, кг/сек

15,5

7,6

Температура продуктов сгорания, °С

420

-

Тепловая мощность продуктов сгорания, кВт

-

1870

 

Результаты расчетов представлены в таб. 3.

 

Таблица 3. ГТД как источник тепла для подогрева транзитного газа.

Параметр

Давление газа на выходе, МПа

0,3

0,6

1,2

UGT 3000

Мощность ГТД, кВт

3360

Температура газа перед детандером, °С

165,9

125,4

85,0

Суммарная мощность, кВт

4820

4388

3984

Температура выхлопных газов на выходе теплообменника, °С

326

343

376

Затраты топливного газа, нм3/час

1088,6

1088,6

1088,6

ЭГ-1000

Мощность ГТД, кВт

1000

Суммарная мощность, кВт

2460

2028

1624

Затраты топливного газа, нм3/час

450,7

450,7

450,7

 

Для сравнения различных способов выработки электрической энергии на ГРС выполнен топливно-экономический анализ. Для этого были приняты следующие тарифы на природный газ и электрическую энергию:

1.    Электрическая энергия: 0,7 грн/кВт·час;

2.    Природный газ: 3,369 грн/м3.

Результаты сравнения представлены в таблице 4. Знак «+» указывает на прибыль, «-» - убыток.

 

Таблица 4. Сравнение топливно-экономической эффективности, грн/час.

Параметр

Давление газа на выходе, МПа

0,3

0,6*

1,2

Подогрев газа после дросселя

-175

-162

-135

Подогрев ПГ после детандера

-933

-

-553

Выработка эл. эн. с помощью детандера

+585

-

+322

Прибыль:

-348

-

-231

Подогрев ПГ перед детандером

-1503

-

-704

Выработка эл. эн. с помощью детандера

+1022

-

+437

Прибыль:

-481

-

-267

ГТД 3МВт (UGT3000)

-3667

-3667

-3667

Выработка эл. эн. с помощью детандера

+1022

-

+437

Выработка эл. эн. с помощью ГТД

+2352

-

+2352

Прибыль

-293

-

-878

ГТД 1 МВт (ЭГ-1000)

-1518

-1518

-1518

Выработка эл. эн. с помощью детандера

+1022

+720

+437

Выработка эл. эн. с помощью ГТД

+700

+700

+700

Прибыль

+204

-98

-381

Примечание: *. Для давления 0,6 МПа сравнение выполнялось только для случая использования 1 МВт ГТД.

 

Как видно из результатов сравнения топливно-экономической эффективности способов утилизации энергии перепада давления на ГРС – при нынешних тарифах на электрическую энергию и природный газ использование детандера будет не рациональным (убыточным) во всех случаях, кроме использования 1 МВт турбины и снижения давления транзитного газа до 0,3 МПа.

Заметим, что это сравнение справедливо для текущего уровня цен на природный газ и электрическую энергию и при отсутствии возможности использования внешнего дешевого источника теплоты и потребителя холода.

 

Литература

1. Черных А.П. Использование перепада давления газа, редуцируемого на ГРС и ГРП для получения электроэнергии и тепла / А.П. Черных // Вісник інженерної академії України. – 2009. - № 1. – С. 251 – 256. URL: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Viau/2009_1/pdf/ISPOLZ.pdf

2. ГазКондНефть // URL: http://gascondoil.com/  

3. Україна в 2011 році протранспортувала майже 157 млрд.куб.м природного газу // УкрТансГаз 16.01.2012. – URL: http://www.utg.ua/uk/press/

4. ЭГ-1000 // «Президент-Нева» Энергетический центр. – URL: http://www.powercity.ru/site/ru/catalog/48.html

5. Газотурбинные двигатели для использования в газотранспортных сетях // «Зоря»-«Машпроект». – 2007. - 16 с.

Публикации

Пятничко А.И. Эффективная выработка электроэнергии на ГРС при использовании перепада давлений газа [Текст] / А.И. Пятничко, С.П. Крушневич // Технические газы. – 2012. – № 4. – C. 48-51.

17.12.2012