Экономия газа. Комбинированный цикл на базе ОЦР

Как и в случае с классическим комбинированным циклом (ПГУ), комбинированный цикл на базе ОЦР (органического цикла Ренкина) предполагает рекуперацию тепла уходящих газов в теплообменнике и утилизационный турбогенератор для конверсии тепловой энергии в электрическую. В отличие от традиционного паросилового решения, в ОЦР применяется органическое рабочее тело в замкнутом контуре. Это позволяет выполнить «утилизационную надстройку» в случаях, когда обычные паровые турбины не оптимальны по разным причинам – например, при значительных скачках нагрузки, отсутствии водных ресурсов, расположении в удаленных труднодоступных районах, ограничений эксплуатации и обслуживания на площадке.

Благодаря использованию вместо воды рабочего тела с высокой молекулярной массой, гарантирующего срабатывание пара без конденсации при любых условиях эксплуатации и, как следствие, отсутствие коррозии и эрозии лопаточного аппарата турбогенератора, технология ОЦР имеет существенные преимущества для небольших энергосистем (от 1 до 20 МВт). Такие особенности, как минимальные затраты на эксплуатацию и обслуживание при отсутствии капитальных ремонтов в течение всего срока службы, отсутствие потребления воды и водоподготовки, высокая надежность, возможность работы полностью в островном режиме и отсутствие оператора делают установки на базе ОЦР технологии привлекательными для применения в разных секторах промышленности. Еще одним важным фактором является эксплуатационная гибкость ОЦР, которая позволяет автоматически подстраиваться под располагаемую тепловую мощность источника и работать с высоким КПД в диапазоне нагрузки от 10% до 110% от номинальной.

Накопленный с 1980 г. опыт проектирования и производства ОЦР установок, а также парк из более чем 300 электростанций в работе позволил Турбоден, компании группы Мицубиси Хэви Индастриз, стать мировым лидером в решениях ОЦР для т.н. «зеленой энергетики». Так, в области утилизации бросового тепла, на сегодняшний день существуют 3 референции на компрессорных станциях, 1 станция для утилизации факельного газа, 5 станций на производстве цемента и огнеупоров, 7 станций на сталелитейном и 2 станции на стекольном производстве, а также множество других референций для утилизации ТБО, биомассы и геотермальной энергии.

Компрессорные станции представляют наибольший интерес с точки зрения потенциала утилизации тепла. Это особенно важно для регионов, где существует разница между экспортной и внутренней стоимостью газа, имеет место дефицит электроэнергии или сетевой инфраструктуры, объекты располагаются в труднодоступных местах с необходимостью нескольких независимых источников мощности, и др.

Основной причиной применения открытого цикла в газотурбинных двигателях является простота проекта, снижающая время пуска, уменьшающая весогабаритные размеры, сложность инженерных коммуникаций, нестабильность собственной нагрузки и требования вспомогательных систем (отсутствие водоподготовки и контура охлаждения). С другой стороны, недостатком является неэффективность расходования топливного газа на собственные технологические нужды и связанные с этим затраты. Учитывая эти аспекты, в 2011 г. компания Турбоден успешно реализовала и ввела в эксплуатацию ОЦР установку 1 МВт на выхлопе турбины Solar Centaur 40 в составе ГПА на компрессорной станции в Канаде. ОЦР станция была установлена на существующей компрессорной станции, и на сегодняшний день ее наработка составила более 28 000 часов с коэффициентом технического использования более 98%. Внедрение ОЦР позволило достичь значительной экономии на стоимости топлива (15-20%) без существенных дополнительных затрат на эксплуатацию и обслуживание.

Показательно, что данное направление привлекает внимание и международных институтов развития. Так, с участием Всемирного Банка были разработаны и профинансированы два проекта утилизации тепла на компрессорных станциях в Республике Узбекистан. Первый проект предусматривает установку утилизации тепла с ОЦР на существующей компрессорной станции АК «Узтрансгаз», где используется выхлоп 3 газовых турбин GE LM1600. Решение позволит производить 1 МВт «условно-бесплатной» дополнительной электроэнергии на собственные нужды станции, вне зависимости от режима работы ГПА. Второй проект предполагает утилизацию выхлопа 1 газовой турбины GE LM2500 с производством 5,5 МВт на КС АК «Узнефтегаздобыча». Оба проекта используют такие преимущества ОЦР технологии, как отсутствие потребления воды, минимальные требования к обслуживанию, согласующиеся с регламентыми работами ГПА, полная интеграция и автоматическая работа в зависимости от нагрузки каждой станции, отсутствие влияния на работу газовых турбин, а также отсутствие необходимости оператора на площадке.

Помимо непосредственно турбогенератора и органического контура, в рамках проектов осуществляется модификация выхлопного тракта ГТ по техническому заданию Турбоден. В частности, предусматривается установка утилизационных теплообменников, располагающихся на выхлопе ГПА для охдаждения потока отработавших газов и рекуперации энергии, в обычной ситуации выбрасываемой в атмосферу. Сами теплообменники, также поставляемые Турбоден, оптимизируют распределение потока выхлопного газа и имеют минимальное и разрешенное производителем ГПА противодавление, и кроме того, комплектуются дивертором с воздушной изоляцией и байпасными газоходами для гарантии бесперебойной работы ГПА.

Для компрессорных станций со сложным планом площадки, в особенности существующих, используется промежуточный контур теплоносителя (как правило, термомасла) между источником тепла и ОЦР. Он позволяет разнести ОЦР и первичный источник тепла на расстояние 250-300 м и более, а также минимально воздействовать на существующие инженерные коммуникации. Напротив, для новых станций либо там, где позволяет проект, Турбоден разработал инновационное решение с прямым теплообменом, где органическое тело напрямую испаряется выхлопными газами в специальном теплообменнике. Это решение уже успешно применялось Турбоден для утилизации выхлопа дизельных двигателей, и также будет установлено для проекта 5,5 МВт в Узбекистане.

Для конденсации рабочего тела используются аппараты воздушного охлаждения для максимизации электрического КПД установок. При этом в других проектах, в частности запущенной в феврале 2017 г. электростанции ОЦР 5,6 МВт на деревообрабатывающем производстве в г. Торжок, применяется водяное охлаждение с производством горячей воды.

Таким образом комбинированный цикл на основе ОЦР для утилизации бросового тепла обладает значительным потенциалом для повышения энергоэффективности и увеличения экономии газа на объектах нефтегазового хозяйства.