Применение турбодетандеров на газораспределительных станциях с целью получения сжиженного газа

В стандартной постановке задачи ГРС используются для снижения давления магистрального потока газа и его последующего распределения с целью дальнейшей поставки конечному потребителю по газораспределительной сети. При такой, наиболее простой схеме, избыточная энергия магистрального потока газа расходуется на преодоление сопротивления дроссельных клапанов, что приводит к снижению давления газа до требуемой величины. Схема такого типа используется и в ГРС, сооружаемых по типу БК-ГРС-II-80. Технологическая схема ГРС «Сокол», которая является одной из таких станций, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема ГРС «Сокол», тип БК-ГРС-II-80.

ГРС «Сокол» введена в эксплуатацию в 1994 году в Вологодской области. Давление на данной станции снижается с 5,4 МПа на входе до 0,6 МПа на выходе на обеих линиях редуцирования. Проектный расход газа составляет 160 тыс. м³/час, средний показатель расхода порядка 21,76 тыс. м³/час, максимальный расход на данный момент составил 35,88 тыс. м³/час. [1]

Очевидно, что на этой станции избыточная энергия магистрального потока газа также расходуется на преодоление сопротивления узла редуцирования.

На сегодняшний день уже существует достаточно простое, но в то же время эффективное и успевшее доказать свою надежность решение проблемы извлечения избыточной энергии магистрального потока – введение в эксплуатацию ГРС турбодетандеров. Наиболее рациональным вариантом для использования на ГРС при больших расходах газа являются турбодетандеры с односторонними, полуоткрытыми, радиально-осевыми рабочими колесами [2] (рисунок 2). Такие турбодетандеры наиболее просты в изготовлении и обладают максимальной степенью надежности за счет высоких прочностных характеристик рабочих колес. Помимо этого, такие агрегаты обеспечивают достаточно высокую производительность, лишь на 1-2% уступая турбодетандерам с радиальными рабочими колесами. [2]

Рисунок 2 – Рабочее колесо турбодетандера

Наиболее простая и надежная схема подключения турбодетандера [3], опробованная на практике, представлена на рисунке 3. Подключение турбодетандера параллельно узлу редуцирования станции позволяет минимизировать затраты на строительно-монтажные работы, а также при высокой степени надежности обеспечить широкий диапазон регулирования расхода газа через турбодетандерный агрегат.

Рисунок 3 – Схема подключения турбодетандера параллельно узлу редуцирования ГРС «Сокол»

Природный газ поступает к турбодетандерной установке по газопроводу высокого давления. Отдав часть своей энергии турбине, газ через газопровод уже со сниженным давлением поступает к потребителю. Мощность турбины передается генератору, производящему электрический ток.

Газ на выходе из турбодетандера нагревается в подогревателе для предотвращения выпадения из него влаги и тяжелых фракций (гидратов, пропана, бутана и т.п.). Для этого необходимо, чтобы температура газа составляла около 5°С.

Регулирующий клапан турбины, управляемый регулятором давления, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа в газопроводе после турбины.

Узел редуцирования выступает также в роли байпасного трубопровода, используется в процессе пуска установки, ее нормального и аварийного выводов из действия. В этих случаях узел редуцирования обеспечивает поддержание необходимого потребителю значения давления газа в газопроводе.

В результате термогазодинамического и конструктивного расчетов турбодетандеров с различными диаметрами рабочих колес [4][5][6][7][8] был установлен оптимальный диаметр рабочего колеса в условиях ГРС «Сокол», который составляет 350 мм, его характеристики представлены в таблице 1. Очевидно, что турбодетандеры с меньшим диаметром рабочего колеса позволяют получать более высокие значения КПД (рисунок 4). Однако, следует учитывать, что при уменьшении диаметра рабочего колеса возрастает и его частота вращения при том же расходе газа через турбодетандер, а значит происходит ускоренный износ трущихся частей, что негативно сказывается на показателях надежности.

Таблица 1 – Характеристики турбодетандера с диаметром рабочего колеса 350 мм

Рисунок 4 – График зависимости КПД турбодетандеров с различными диаметрами рабочих колес в зависимости от расхода газа

При среднем значении расхода газа через ГРС «Сокол» эффективная мощность на валу турбодетандера составит 816 кВт, что позволит обеспечить производительность системы в случае ее использования для выработки электроэнергии в 659 кВт.

Предлагаемое техническое мероприятие позволяет добиться значительного повышения энергоэффективности, а также получить весомый экономический эффект (чистый дисконтированный доход от реализации мероприятия 6,8 млн. рублей, индекс доходности порядка 1,147 при сроке окупаемости проекта 9 лет).

Однако использование полезной мощности турбодетандерной установки для выработки электроэнергии – это лишь наиболее простой и очевидный способ применения избыточной энергии магистрального потока газа.

Так как ГРС «Сокол» расположена в Вологодской области, где находится большое количество труднодоступных населенных пунктов, которые лишены газоснабжения, то наиболее перспективным способом реализации потенциала полезной мощности на валу турбодетандера является получение сжиженного природного газа (СПГ) в условиях ГРС. Реализации данного амбициозного проекта способствует не только большой объем накопленного зарубежными коллегами опыта по использованию таких установок для решения схожих задач, но и низкие температуры потока газа на выходе из турбодетандера (около 200К).

Еще в советское время была разработана технология получения сжиженного природного газа на ГРС (при этом сжижается не весь природный газ, проходящий через ГРС, а только небольшая его доля; для сжижения фактически используется энергия расширения сжатого газа, поступающего на ГРС из магистрального газопровода). В настоящее время продвижением этой технологии занимается ЗАО «Сигма-газ» (С.-Петербург). [9] Упомянутая технология позволяет газифицировать объекты, расположенные в пределах нескольких десятков километров от ГРС без строительства распределительного пункта.

Необходимо отметить, что с технологической точки зрения на сегодняшний день в России имеются все предпосылки для создания оборудования для производства и использования сжиженного природного газа (СПГ). Имеются разработчики и производители турбодетандерно-компрессорных агрегатов, средств доставки СПГ автотранспортом и в железнодорожных цистернах.[9]

В настоящее время на промышленных объектах предлагается использовать схему сжижения природного газа (рисунки 5 и 6), основной частью которой является детандерно-компрессорный турбоагрегат (ДКТ), в котором с целью увеличения холодопроизводительности турбодетандера, выработанная им мощность используется для повышения давления всего технологического потока. Теплообменник, дроссель и сепаратор, завершающие схему, образуют стандартную часть цикла Линде.

Рисунок 5 – Схема установки по сжижению природного газа в условиях ГРС

Рисунок 6 – Схема подключения установки к ГРС

Газ с входа газоредуцирующей станции (ГРС) разделяют на два потока, один из которых подают в расширительную турбину детандер-компрессорного агрегата, а второй — в газовый компрессор этого же агрегата. Охлажденный газ с выхода турбины направляют в межтрубное пространство одного из двух переключающихся теплообменников-вымораживателей, а затем на выход ГРС. Сжатый газ с выхода газового компрессора направляют сначала в один из двух переключающихся теплообменников-вымораживателей, а затем в рекуперативный теплообменник. После теплообменника газ разделяют на два потока, каждый из которых дросселируют, и один подают в конденсатосборник, а другой смешивают с газом низкого давления, выходящим из конденсатосборника. [10]

Работа схемы организована таким образом, что в зависимости от доли потока, идущего на сжижение, можно получить не только СПГ, но и использовать оставшийся хладоресурс потока газа низкого давления в холодильной камере. С увеличением доли потока, направляемого на сжижение, выход СПГ увеличивается, но одновременно уменьшается мощность холодильника. В зависимости от потребностей можно осуществить любую комбинацию соотношений выхода СПГ и получения ''холода''. [10]

Схема позволяет получать до 20% СПГ от расхода газа на ГРС. [10]

Себестоимость СПГ примерно равна 25$ США за 1 т.Срок окупаемости подобных проектов составляет 3-6 лет. [10]

Снижение себестоимости полученного СПГ на ГРС, обусловленное использованием вторичных энергоресурсов – потенциальной энергии давления сжатого газа. [10]

Однозначно, предлагаемые решения требуют уточнения и расчетов, которые обеспечат определение точных характеристик оборудования, объема капитальных затрат и величины экономического эффекта, но перспективность самой концепции не оставляет вопросов.

Литература

1. Нормативно-справочная информация по ГРС Газпром трансгаз Ухта, ООО по состоянию на 01.01.2012.

2. Давыдов, А.Б. Расчет и конструирование турбодетандеров./ А.Б. Давыдов, А.Ш. Кобулашвили, А.Н.Шерстюк. – Машиностроение, М., 1987.

3. ООО НТЦ «МТТ». Обзор современных конструкций турбодетандерных генераторов/ ООО НТЦ «МТТ».- СПб, 2011.

4. Р Газпром 2-6.2-600-2011 «Применение турбодетандерных энергетических установок и расчет их основных параметров. – Введены 10.08.2012. – М.: ОАО «Газпром», 2014. 123 с.

5. СТО Газпром 2-3.5-748-2013 «Турбодетандерные агрегаты. Типовые технические требования». – Введен 05.03.2014. – М.: ОАО «Газпром», 2014. 42 с.

6. 19. Давыдов, А.Б. Расчет и конструирование турбодетандеров./ А.Б. Давыдов, А.Ш. Кобулашвили, А.Н.Шерстюк. – Машиностроение, М., 1987.

7. Павленко, Г.В. Газодинамический расчет осевой газовой турбины. Г.В. Павленко, А.Г. Волков. – ХАИ, Харьков, 2007.

8. Бумагин, Г.И. Расчет машин. Расчет турбодетандера. Криогенные машины. – Издательство ОмГТУ, Омск, 2007.

9. Медиапортал сообщества ТЭК EnergyLand.info. Раздел: ДГА в России и в мире.

10. Проект "Инновации бизнесу" ("Ideas and Money"). Проект номер 84-006-06 «Схема сжижения природного газа с турбодетандером»