студент с 01.01.2024 по настоящее время
Дальневосточный федеральный университет (Департамент нефтегазовых технологий и нефтехимии)
студент с 01.01.2020 по 01.01.2024
Евпатория, Республика Крым, Россия
Владивосток, Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
УДК 658.261 Собственные источники энергии (внутреннее энергоснабжение)
УДК 620.97 Использование прочих источников энергии. Рекуперация энергии
ГРНТИ 44.09 Энергоресурсы. Энергетический баланс
ГРНТИ 73.39 Трубопроводный транспорт
ТБК 5518 Техника сжатых и разреженных газов. Вакуумная техника
BISAC SCI024000 Energy
В статье рассматривается актуальная проблема оптимизации энергопотребления на газораспределительных станциях (ГРС) с использованием турбодетандеров. Большая часть потенциальной энергии сжатого газа, передаваемой ему на компрессорных станциях магистрального газопровода, традиционно расходуется в процессе редуцирования. В контексте мирового движения к энергосбережению и в соответствии с энергетической стратегией Российской Федерации, всё более актуальным становится вопрос утилизации энергии, высвобождаемой при редуцировании. Турбодетандеры позволяют преобразовать эту энергию в электрическую, которая может быть использована для хозяйственных нужд ГРС или для подогрева газа, предотвращая гидратообразование. В статье представлена компьютерная модель, разработанная для анализа работы турбодетандеров на ГРС. Модель позволяет рассчитать энергетический баланс станции, а также определить температуру газа после дросселирования в турбодетандере. Проведённые расчёты демонстрируют, что использование турбодетандеров не только повышает энергоэффективность ГРС, но и обеспечивает соблюдение нормативных требований к температуре газа на выходе. Результаты исследования подтверждают целесообразность внедрения турбодетандеров на газораспределительных станциях как эффективного инструмента для энергосбережения и повышения устойчивости работы газотранспортных систем.
газораспределительная станция (ГРС), турбодетандер, энергосбережение, редуцирование газа, энергетический баланс, компьютерное моделирование, утилизация энергии, гидратообразование, подогрев газа, энергоэффективность
Введение. Современные вызовы, связанные с глобальным изменением климата, истощением природных ресурсов и необходимостью перехода к устойчивому развитию, обуславливают повышенное внимание к вопросам энергосбережения и повышения энергоэффективности во всех отраслях экономики. В энергетической сфере, особенно в газовой промышленности, значительные объемы энергии теряются на этапах транспортировки и распределения природного газа. Одной из ключевых точек потерь являются газораспределительные станции (ГРС), где большая часть потенциальной энергии сжатого газа, передаваемой ему на компрессорных станциях магистральных газопроводов, расходуется в процессе редуцирования. Традиционные регуляторы давления, используемые для снижения давления газа до требуемых параметров, не предусматривают утилизацию энергии расширяемого газа, что приводит к нерациональному использованию энергетического потенциала и увеличению эксплуатационных затрат.
В условиях мирового движения к энергосбережению и в рамках реализации Энергетической стратегии Российской Федерации, направленной на снижение энергоемкости экономики и повышение эффективности использования энергоресурсов, актуальным становится внедрение инновационных технологий, позволяющих утилизировать энергию, высвобождаемую при редуцировании газа. Одним из наиболее перспективных решений является замена традиционных регуляторов давления на турбодетандеры (ТД) [1, 2], [3]. Эти устройства преобразуют энергию расширяемого газа в механическую, а затем в электрическую с помощью генератора [4–6]. Полученная электроэнергия может быть использована для собственных нужд ГРС, таких как подогрев газа для предотвращения гидратообразования, что особенно важно в условиях низких температур, или для обеспечения работы вспомогательного оборудования [7]. Необходимость подогрева обоснована опасностью возникновения кристаллогидратов в трубопроводах ГРС при значительном снижении температуры [8].
Использование ТД не только позволяет повысить энергоэффективность работы ГРС, но и способствует снижению эксплуатационных затрат за счет уменьшения потребления внешней электроэнергии. Кроме того, утилизация энергии расширяемого газа помогает избежать сжигания излишков газа, что снижает выбросы вредных веществ в атмосферу и способствует повышению экологической устойчивости объектов газовой инфраструктуры [9].
Согласно исследованиям, внедрение ТД на объектах газотранспортной системы теоретически может обеспечить экономию 11 % транспортируемого газа, затрачиваемого на выработку тепловой и электрической энергии [10].
Одной из проблем внедрения ТД на ГРС является достижение положительного энергетического баланса: при простой схеме с ТД и подогревателем газа возникает дефицит энергии [1], который необходимо компенсировать потреблением из электросетей, что, в свою очередь, негативно сказывается на экономических показателях подобных проектов. В связи с этим рядом авторов предлагается ряд различных решений с целью повышения эффективности подогрева.
Предлагается решение, при котором исходный поток подвергается двойному расширению и промежуточной передаче тепла от одного к другому в теплообменном аппарате, или расширению и компримированию разделенных потоков с последующей передачей тепла от нагретого в компрессоре газа к охлажденному в ТД [11]. Кроме того, рассматривается применение тепловых насосов [7, 12].
Основным вопросом остается влияние неравномерности производительности ГРС в течение суток, сезонного изменения температуры, а также влияние величины входного давления на эффективность оснащения ГРС ТД [13].
В данной статье рассматриваются вопросы оптимизации энергопотребления на газораспределительных станциях с использованием ТД. Проведено моделирование и анализ процессов, связанных с утилизацией энергии при редуцировании газа, а также оценена эффективность использования высвобождаемой энергии для производства электроэнергии и подогрева газа. Предложены рекомендации по внедрению ТД на ГРС, что позволит не только снизить энергопотери, но и повысить общую энергоэффективность газотранспортной системы. Результаты исследования имеют важное практическое значение для газовой отрасли и могут быть использованы при разработке стратегий повышения энергоэффективности и снижения экологической нагрузки.
Целью исследования выступает обоснование эффективности внедрения ТД на ГРС, при условии нестабильности параметров работы самой станции. Задачами исследования выступают создание компьютерной модели работы ГРС, апробация ее работы, а также проведение параметрического анализа посредством варьирования ее входных данных. Основными вопросами исследования выступают:
1. Возможна ли организация автономного энергоснабжения ГРС на основе генерации энергии ТД?
2. Возможно ли заменить стандартные электрические нагреватели более эффективными тепловыми машинами для подогрева газа на ГРС?
3. Возможно ли поддержание эффективной работы ТД при нестабильности входных параметров ГРС: давления, температуры, расхода?
Методами исследования выступают аналитический, дедуктивный, экспериментальный и сравнительный.
Материалы и методы. Предлагаемая схема работы ГРС представлена на рис. 1. При такой конфигурации ТД функционирует при стационарном режиме работы станции, а при резком изменении давления газа на входе происходит переключение на байпасную линию, на которой установлен стандартный регулятор.
При такой конфигурации электрическая энергия, вырабатываемая ТД, расходуется на собственные нужды ГРС:
1. Блоком подогрева газа;
2. Системой автоматики или телемеханики ГРС;
3. Системами освещения, пожаротушения и сигнализации;
4. Отопление помещений ГРС.
Кроме того, излишняя энергия может передаваться в единую энергосистему, а также для энергоснабжения объектов линейной части магистральных газопроводов и газораспределительных сетей. В случае присутствия на ГРС высокой суточной неравномерности расхода или давления, избыточная энергия может накапливаться аккумуляторными блоками.
В процессе дросселирования поток газа снижает свою температуру в результате эффекта Джоуля-Томсона [14], при этом относительное уменьшение температуры на единицу редуцируемого давления описывается коэффициентом Джоуля-Томсона, Di, К/МПа, рассчитываемым по следующей зависимости [15]:
(1)
где cp – удельная изобарная теплоемкость газа, определяемая для средних значений давления и температуры, кДж/(кг∙К); T – температура газа, К.
Рис. 1. Принципиальная схема технологического процесса на ГРС с ТД
С учетом описанных выше условий, снижение температуры газа в ходе дросселирования:
ΔT = Di ∙ (Pвх – Pвых) (2)
где Pвх, Pвых – давление на входе и выходе ТД, МПа.
При расширении газа в ТД механическая энергия на валу электрогенератора, в кДж, определяется по формуле:
WТД = ηТД ∙ G ∙ (h1 – h2) (3)
где ηТД – КПД ТД, G – массовый расход через ТД, кг/сек; h1, h2 – удельная энтальпия газа до и после расширения (кДж/кг).
Однако, для практических расчетов удобнее использовать технические параметры, которые легко измерить и вычислить: давление, температуру, объемный расход. Кроме того, необходимо принимать во внимание КПД механической передачи от ТД к электрогенератору и КПД электрогенератор. Таким образом, формула (3) приобретает вид:
(4)
где ηмех – КПД механической передачи; ηген – КПД электрогенератора; Qн – нормальный объемный расход, нм3/сек; R – удельная газовая постоянная, кДж/(кг ∙ К); k – показатель адиабаты.
В настоящее время на большинстве ГРС для подогрева газа с целью предотвращения гидратообразования используется природный газ, отбираемый из общего потока. Согласно требованиям СТО Газпром 2-3.5-051-2006, на выходе ГРС должна обеспечиваться температура газового потока не менее 10 °C, на пучинистых грунтах – 0 °С. Замена горючего газа на собственную генерацию ГРС позволит повысить энергоэффективность системы.
Уравнение баланса энергии ГРС в таком случае выглядит следующим образом:
WТД + WЭС = WГРС + WПГ + Wвс (5)
где WЭС, WГРС, WПГ, Wвс – соответственно дефицит энергии, потребляемый из единой энергосистемы; энергопотребление ГРС; затраты энергии на подогрев газа; энергопотребление вспомогательных процессов ГРС (КИПиА, сигнализация, освещение, отопление, суммарная пиковая мощность которых принята равной 20 кВт), в кВт.
Оценку энергобаланса ГРС, с точки зрения возможности обеспечения автономной работы с ТД, предлагается проводить по относительному показателю, численно равному (WТД/WГРС) ∙ 100 %. Целевым значением выступает величина показателя более 100 %, при которой возможна организация автономной работы ГРС.
Основная часть. Анализ процесса дросселирования производился на основе компьютерной модели (рис. 2), выполненной в ПО DWSIM [16]. Входные данные моделирования представлены в таблице 1. Исходный поток природного газа из магистрального газопровода (из МГ) под давлением 3 МПа и с температурой 5 °С попадает в кожухотрубный теплообменник теплового насоса ТА, повышая свою температуру до 59,3 °С, после чего – в турбодетандер ТД, где расширяется до 1,2 МПа, снижая свою температуру на 46,6 °С. В сеть высокого давления (в СВД) газ подается при давлении 1,2 МПа и температуре порядка 10…15 °С. В тепловой машине теплоноситель (углекислый газ) циркулирует по контуру: компрессор К – теплообменник ТА – дроссель Др – испаритель Х. Параметры потоков цикла теплового насоса приведены в таблице 2.
Рис. 2. Модель процессов подогрева и расширения газа на ГРС
Таблица 1
Исходные данные моделирования
|
№ п/п |
Наименование показателя |
Обозначение |
Единицы измерения |
Значение |
|
1. |
Состав природного газа: |
r1, r2, …, ri |
% об. |
|
|
C1 |
91,23 |
|||
|
C2 |
5,93 |
|||
|
C3 |
2,03 |
|||
|
n-C4 |
0,43 |
|||
|
i-C4 |
0,38 |
|||
|
2. |
Производительность ГРС |
GГРС |
кг/ч |
2500 |
|
3. |
Расход теплоносителя |
GТН |
кг/ч |
1650 |
|
4. |
Температура газа на входе |
Tвх |
К |
278,15 |
|
5. |
КПД турбодетандера |
ηТД |
- |
0,7 |
|
6. |
КПД теплообменного аппарата |
ηТА |
- |
0,6 |
Таблица 2
Параметры цикла теплового насоса
|
Обозначение объекта |
Расшифровка |
Давление, МПа |
Температура, °С |
Доля жидкой фазы, % мольн. |
|
1CO2 |
Газ на выходе из теплообменника ТА |
8 |
33,49 |
100 |
|
2CO2 |
Дросселированный газ из дросселя Др |
3 |
-5,63 |
43,53 |
|
3CO2 |
Газ из испарителя Х |
3 |
5,00 |
0 |
|
4CO2 |
Компримированный газ из компрессора К |
8 |
97,06 |
0 |
Таким образом, при заданном наборе исходных параметров, потребляемая компрессором теплового насоса К энергия составляет 28,73 кВт∙ч, а вырабатываемая на приводе ТД – 51,87 кВт∙ч. Тепловая машина позволяет достичь достаточного нагрева газа, чтобы предотвратить его охлаждения до критически низкой температуры после расширения в ТД.
Следует также отметить, что модель не учитывает расхода энергии на работу испарителя Х, так как принято допущение, согласно которому суммарный пиковый поток энергии для обеспечения всех вспомогательных процессов принимается равным 20 кВт∙ч.
По результатам моделирования можно заключить, что энергобаланс ГРС при заданных условиях положительный: выработка газа на ТД покрывает суммарные потребности комплекса, создавая профицит генерации в размере 11 %. Кроме того, на выходе ГРС обеспечивается соответствующая нормативным требованиям температура (12,74 °С), следовательно, моделирование демонстрирует положительный результат внедрения ТД на ГРС.
На следующем этапе работы необходимо изучить восприимчивость предложенной схемы к изменению входных макропараметров: давления, температуры и расхода газа. Для варьирования указанных показателей использованы блоки ввода, предлагаемые набором инструментов ПО DWSIM, для настройки параметров работы теплового цикла CO2 использованы блоки-контроллеры, которые настраивались на изменение двух параметров: расхода теплоносителя и давления на выходе компрессора (поз. К на рис. 2). Рассмотрены два сценария: с регулированием параметров и без. В первом случае ключевым параметром регулирования выступает расход теплоносителя. Целью анализа выступает определение:
1. Эффективной области работы ТД на ГРС – зоны, в которой обеспечивается профицит генерируемой энергии;
2. Допустимой области работы – зоны, где соблюдается порог температуры на выходе ТД.
Первоначально произведена регистрация параметров модели при различных величинах входного давления в интервале 2…4,5 МПа с шагом 0,5 МПа. В ходе анализа параметры, заданные блоком-контроллером, корректировались для достижения наименьшего расхода теплоносителя. В ходе моделирования требуемый показатель температуры на выходе установлен на уровне
15 °С. Результаты анализа для энергетического баланса и температуры на выходе приведены на рис. 3, 4.
Представленные зависимости отображают эффективность работы конфигурации ГРС с применением ТД и теплового насоса. В первом (базовом) варианте рабочие параметры системы остаются неизменными, однако варьируются параметры, задаваемые потоку газа из МГ. Для этого варианта получены кривые зависимостей энергобаланса и температуры на выходе ГРС (для всех графиков обозначены треугольными маркерами). Заметна прямая пропорциональность возрастания профицита энергии в системе при увеличении входного давления, за счет роста величины расширяемого давления, что подтверждается формулой (4), где величина энергии, вырабатываемой ТД пропорциональна величине давления на входе. Влияние температуры газа на входе на показатели работы можно описать следующими тезисами:
1. С увеличением температуры газа на входе растет выработка газа в ТД, так как увеличивается энтальпия газа, что соответствует формуле (3).
2. Влияние разницы температуры на величину энергобаланса становится более значительным при увеличении величины мощности на валу ТД.
Во втором варианте, которому соответствуют кривые с x-образными маркерами, было применено регулирование системы посредством изменения расхода теплоносителя при неизменных рабочих параметрах цикла теплового насоса. Одинаковые цвета кривых в обоих вариантах соответствуют определенному значению температуры на входе. В случае энергобаланса, зависимость становится более пологой, исходя из чего можно сделать вывод, что для поддержания стабильности работы системы в условиях значительных перепадов давления целесообразно применять механизмы регулирования и настройки работы теплового насоса.
С точки зрения температуры газа на выходе, можно заключить о наличии зоны допустимого применения комбинации ТД и теплового насоса (правая часть графика, в которой температура на выходе остается постоянной и равной приблизительно 15 °С). В этой зоне предложенный алгоритм регулирования снижает расход теплоносителя до минимального необходимого, позволяя достичь оптимального энергобаланса. В связи с этим на графике энергобаланса кривые зависимостей в этой зоне проходят выше, чем для базового (нерегулируемого) варианта. Вторая зона графика – зона недопустимой работы (для 20 °С – при давлении свыше 3,5 МПа, для -10 °С – 3 МПа). В этой зоне снижение температуры вследствие дросселирования газа никак не может быть компенсировано подогревом от теплового насоса, а следовательно, не соблюдается главное условие работоспособности системы – наличие температуры на выходе ГРС не менее 10 °С. При этом, чем выше температура поступающего газа, тем шире зона допустимой работы системы. Однако, увеличение производительности по теплоносителю ведет к увеличению потребляемой мощности компрессора, что вызывает снижение значения энергобаланса.
На следующем этапе исследовалось влияние колебаний часового расхода ГРС на работоспособность системы. Значения рассчитаны для температуры газа на входе 5 °С. Расход газа задавался в интервале 500…3000 кг/час с шагом 500 кг/час. Результаты определения температуры на выходе и энергобаланса приведены на рис. 5, 6.
Рис. 3. Зависимость энергобаланса ГРС от величины входного давления при различных температурах
Рис. 4. Зависимость температуры газа на выходе ТД от величины входного давления при различных
температурах
Рис. 5. Зависимость энергобаланса ГРС от величины ее производительности
Рис. 5. Зависимость температуры газа на выходе ТД от величины производительности ГРС
Рассматривая зависимости, полученные для энергобаланса, можно заключить о том, что при расходах менее номинального (2500 кг/ч) алгоритм регулирования снижает расход теплоносителя, что позволяет повысить энергоэффективность работы системы в среднем на 5…10 %. При превышении расходом газа через ГРС номинального значения мощность теплового насоса увеличивается, таким образом, снижается энергоэффективность.
Основным условием симуляции в этом случае выступает неизменность давления. Анализируя зависимости, полученные для температуры на выходе ГРС, можно сделать вывод об эффективности регулирования системы на всем рассматриваемом интервале значений расхода газа через ГРС, в то время как при базовом варианте при расходе 2530 кг/ч температура газа на выходе становится ниже 10 °С.
Таким образом, предположенная компоновка ГРС с параллельным размещением ТД и классического регулятора давления обусловлена наличием ограниченной эффективной зоны ТД, за пределами которой его применение нецелесообразно, то есть основной поток газа может быть перенаправлен на регулятор. Границы зоны сильно варьируются в зависимости от температуры на входе, однако, можно рассуждать, что диапазон для возможного регулирования составляет от 0,5 до 1,5 МПа в обе стороны от номинальной величины. Диапазон эффективной работы ТД зачастую гораздо уже и находится ближе к максимальным значениям входного давления, так как появляется возможность эффективно использовать возросший перепад на ТД.
Выводы. Проведенное исследование и моделирование процессов на газораспределительных станциях (ГРС) с использованием ТД подтвердили высокую эффективность данного подхода для оптимизации энергопотребления и утилизации энергии, выделяемой при редуцировании газа. Основные выводы работы можно сформулировать следующим образом:
1. Внедрение ТД на ГРС позволяет преобразовывать потенциальную энергию сжатого газа в механическую работу, которая может быть использована для выработки электроэнергии. Это способствует значительному снижению энергопотерь и повышению общей энергоэффективности газотранспортной системы. Моделирование показало, что при заданных условиях выработка энергии на ТД покрывает суммарные потребности ГРС, создавая профицит генерации в размере 11 %.
2. Использование ТД в сочетании с системами подогрева газа позволяет поддерживать температуру на выходе ГРС в соответствии с нормативными требованиями (не менее 10 °C). Это предотвращает образование гидратов, которые могут привести к закупорке трубопроводов и нарушению работы системы.
3. Замена традиционного сжигания газа для подогрева на использование энергии, вырабатываемой ТД, способствует снижению выбросов вредных веществ в атмосферу. Это соответствует современным требованиям экологической безопасности и устойчивого развития.
4. Предложенная схема работы ГРС с ТД демонстрирует устойчивость к изменениям входных параметров, таких как давление, температура и расход газа. Моделирование показало, что система способна эффективно функционировать в широком диапазоне условий, обеспечивая как профицит генерируемой энергии, так и соблюдение температурных требований на выходе.
5. Расширить рабочую зону ТД можно, применив регулирование рабочего цикла тепловой машины по следующим параметрам: степень сжатия в компрессоре и расход теплоносителя. Такие меры позволят поддерживать заданную температуру газа на выходе из ТД.
6. Результаты исследования подтверждают, что использование ТД на ГРС является перспективным направлением для повышения энергоэффективности и снижения экологической нагрузки. Предложенные рекомендации могут быть использованы при разработке стратегий модернизации газотранспортной инфраструктуры.
Внедрение ТД на газораспределительных станциях представляет собой эффективное решение для оптимизации энергопотребления, повышения энергоэффективности и снижения экологического воздействия. Полученные результаты имеют важное практическое значение и могут быть использованы для дальнейшего развития газовой отрасли в рамках реализации энергетической стратегии Российской Федерации.
1. Зацепин С.С., Купцов С.М. Применение турбодетандерных установок на газораспределительных станциях // Территория Нефтегаз. 2016. №12. С. 50–53.
2. Микаэлян Э. А. Модернизация газораспределительных систем с применением утилизационных турбодетандерных установок // Территория Нефтегаз. 2015. №9. С. 36–39.
3. Al-Ismail F.S. A comprehensive and critical review on integrated electric power and gas networks,' IEEE Access. 2024. Vol. 12. Pp. 143042–143057.
4. Gas turboexpanders // Ipieca. 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ipieca.org/resources/energy-efficiency-compendium/gas-turboexpanders-2023 (дата обращения: 06.02.2025)
5. Воронов В.А., Самигуллин Г.Х., Рузманов А.Ю. Повышение энергетических характеристик газораспределительной станции путем применения турбодетандера // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. №4 (58). С. 1–5
6. Черных А.П. Использование турбинного привода для получения электроэнергии и тепла на объектах газовой промышленности // Газовая промышленность. 2017. No. 2 (748). C. 82–88.
7. Урванов С.В., Кондрашова Ю.Н., Газизова О.В., Скворцов Д.С. Разработка и исследование существующих возможностей применения детандер-генераторного агрегата для газораспределительной станции с использованием в качестве системы подогрева газа тепловой насосной установки // Вестник ЮУрГУ. Серия: Энергетика. 2017. №2. С. 5–13.
8. Капыш В.В., Кулемин Н.В., Истомин В.А. Предупреждение гидратобразования в газопроводах-отводах и на газораспределительных станциях // Вести газовой науки. 2013. №. 4 (15). С. 125–131.
9. Керимов И.А., Саидов А.А., Батаев Д.К., Дебиев М.В. Экономические аспекты использования детандер-генераторных агрегатов в системе газовых сетей Чеченской Республики // Вестник российских университетов. Математика. 2012. №2. С. 786–790.
10. Lehman В., Worrell E., Electricity Production from Natural Gas Pressure Recovery Using Expansion Turbines // Engineering, Environmental Science. 2009. Pp. 43–54.
11. Li Z.-D., Cheng Q.-L., Chen Y.-W., Wei J.-D., Li-Li Lv, Wu H., Liu Y. Electric power generation technology of natural gas pressure reduction: Insights from black box-gray box hierarchical exergy analysis and evaluation method // Petroleum science. 2022. No. 19(1). Pp. 329–338.
12. Александров А.А., Агабабов В.С., Джураева Е.В., Корягин А.В., Утенков В.Ф. Анализ совместной работы детандар-генераторного агрегата и теплового насоса // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. № 7(8). С. 50–60.
13. Kuczyński S., Łaciak M., Olijnyk A., Szurlej A., Włodek T. Techno-Economic assessment of turboexpander application at natural gas regulation stations // Energies. 2019. No. 12(4). 755.
14. Çengel Y.A., Boles M.A., Kanoglu M. Thermodynamics: an Engineering Approach. 9th ed. New York: Mcgraw-Hill Education, 2019. 984 p.
15. Коршак А.А. Газораспределение: учебник для вузов. Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. 596 с.
16. DWSIM – Open-Source Chemical Process Simulator [Электронный ресурс]. URL: https://dwsim.org/ (дата обращения: 06.02.2025).
