Турбодетандерные агрегаты и газодобыча

Дроссельный эффект и детандер

При поступлении природного газа из магистральных трубопроводов в системы городов и крупных промышленных предприятий осуществляется понижение его давления на газораспределительных станциях (ГРС). Снижение давления газа происходит в редукционных клапанах дросселированием, происходит расширение газа и понижение его температуры. Аналогичных технологических точек снижения давления газа на пути от скважины до потребителя несколько.

При расширении сжатого газа работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дросселирующего устройства и переходит в тепло. Дросселирование реальных газов сопровождается, как правило, понижением температуры, несмотря на постоянство энтальпии. Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании называется дроссельным эффектом. Дроссельный эффект заключается в том, что при расширении сжатого газа до более низкого давления без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой температура его изменяется. Физическая сущность дроссельного эффекта заключается в том, что при дросселировании реального газа часть его внутренней энергии расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами. При расширении сжатого газа и совершении им внешней работы за счет внутренней энергии, температура газа понижается более значительно. Снижение давления газа происходит в редукционных клапанах и является прямой потерей потенциальной энергии потока.

В газовых машинах используют эффект резкого снижения температуры при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется детандером. Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПа температура его снижается на 50-60°C (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (от 1,8 до 0,3 МПа) разность температур возрастает до 70-80°C. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20°C, температура потока после расширения составит от -30 до -40°C в первом и до -60°C во втором случаях. Исходя из этого, представляется целесообразным использование турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин при строительстве предприятий по сжижению пропан – бутановой фракции природного и нефтяного газов. Получение низких температур для сжижения газов осуществляется расширением сжатых газов с совершением внешней работы в сочетании с противоточным теплообменом. В случае использования специальных турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин вышеупомянутую теряемую энергию газа можно использовать для выработки электроэнергии.

Типы ДГА и их применение

Идея использования указанного перепада давления общеизвестна. Следует подчеркнуть, что практически все известные проекты использования избыточной энергии давления газа при его редуцировании в системах газораспределения и потребления направлены на производство электрической энергии. Вместе с тем нельзя забывать, что при адиабатном расширении газа с отдачей внешней работы существенно снижается температура рабочего тела, величина этого снижения определяется отношением давлений на входе и выходе расширительной машины (детандера).

Реализация идей использования расширительных машин для утилизации перепада давления природного газа осуществляется с помощью следующих типов ДГА.

1. Детандерс гидротормозом. Находит применение там, где необходима небольшая (до 100 кВт) холодопроизводительность, а утилизация мощности, вырабатываемой детандером (в электроэнергию или компрессию газа) экономически нецелесообразна;

2. Детандер-компрессор. Имеет гораздо более широкое применение. После сепарации тяжелых углеводородов в сепарационном барабане, газ сжимается в центробежном компрессоре. Агрегат имеет единый вал с одним колесом детандера и одним компрессорным колесом, установленными оппозиционно на валу. Этот тип турбодетандера применяют в технологических циклах для понижения температуры газа (получения холода) и для повышения давления технологического газа вследствие работы ступени компрессора;

3. Детандер-генератор (ДГА). Используется для выработки электроэнергии (с получением холода) в технологических установках и на газораспределительных станциях при регенерации (утилизации) энергии сжатого газа.

В Узбекистане, в Шуртане в 1995 году реализован проект установки ЛенНИИхиммаша по сжижению пропан-бутановой фракции природного газа с использованием турбодетандерных агрегатов (УПБС). Установка успешно эксплуатируется, производство расширяется, на сегодняшний день реализуется уже 6-я очередь строительства УПБС. Проектируется аналогичная установка для сжижения газов на Мубарекском ГПЗ. Для 1-й очереди использовался ДГА фирмы «СуперФлоу», для остальных установок были закуплены ДГА ОАО «Турбогаз» (Харьков) и НПО «Гелиймаш» (Москва).

Имеются отдельные примеры успешной реализации идеи использования перепада давления путем установки крупных турбодетандерных агрегатов для выработки электроэнергии (ТЭЦ-22, Москва).

Целесообразность строительства таких комплексов именно на крупных ГРС не вызывает сомнения. В то же время в системе газоснабжения страны имеется огромное количество небольших ГРС и крупных ГРП, где происходит редуцирование газа (например с 1,2 до 0,3 МПа).

Реализация этой технологии в простейшем виде осуществляется путем включения параллельно ГРС (ГРП) газопровода ДГА, работающего на перепаде давлений газа на ГРС (ГРП). ДГА включает две основные части - газорасширительную турбину и электрический генератор.

Уровень полезной мощности, вырабатываемой ДГА, будет определяться расходом газа через турбину и перепадом давления на ней. Чем больше эти величины, тем больше вырабатываемая электрическая мощность. С выхлопа турбины газ с заданным давлением поступает потребителю.

В основном ДГА предлагаются для ГРП (ГРС) газопроводов давлением до 80 атм в диапазоне мощностей 250-12000 кВт. Поставка ДГА осуществляется в блочно-комплектном исполнении с максимальной готовностью к монтажу. В конструкциях газо-расширительных установок используются отработанные элементно-агрегатные базы серийных паровых и других турбин, адаптированная к требованиям пожаровзрывобезопасности к рабочему телу - природному газу.Существующие расширительные машины турбинного типа предназначены для больших объемных расходов.

При малых объемах газа необходимо существенно увеличивать скорость вращения турбодетандера, что заметно влияет на его эффективность.

Как показывает мой опыт, турбинные агрегаты малой мощности целесообразно заменить на пневмодвигательные агрегаты на основе шестеренных, поршневых, винтовых или роторных, ротационных пневмодвигателей. Тем более, что они выпускаются серийно, дополнительные затраты на их разработку и постановку на производство не требуются. При использовании расширительных машин (детандеров) в описанных условиях к ним предъявляются специфические требования: обеспечение высокой степени расширения газа, надежная и эффективная работа на переменных режимах, нечувствительность к возможному выпадению конденсата и образованию гидратов в процессе расширения и т.п.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяют винтовые детандеры или роторные двигатели, являющиеся, как и поршневые, представителями класса объемных машин. В отличие от поршневых винтовые агрегаты имеют вращательное движение рабочих органов, в них отсутствует механизм газораспределения, нет «мертвого объема».

Винтовой детандер по конструкции аналогичен винтовому компрессору и состоит из корпуса и двух роторов, имеющих специальную винтовую нарезку и находящихся в зацеплении. Между всеми рабочими элементами агрегата имеются гарантированные зазоры, что обеспечивает полное отсутствие трения в рабочем объеме машины. В то же время существование этих зазоров обуславливает наличие основных потерь в детандере – так называемых протечек газа из полостей с более высоким давлением в полости с пониженным давлением.

Применение для преобразования потенциальной энергии газа стандартных роторных двигателей, которые связаны муфтой с элект­рогенераторами, показало, что они работоспособны и при давлениях газа на входе и выходе соответственно 0,4 МПа и 0,103 МПа и расходе 90 м³/час развивают мощность 1,2 кВт при напряжении 24 В. Дешевизна данной установки и неограниченный ресурс роторного привода позволяют наиболее рационально приме­нить ее как автономный источник электропитания ГРП или ГРС.

Пневматические шестеренные двигатели наряду с роторными обеспечивают высокую степень расширения газа, надежную и эффективную работу на переменных режимах, нечувствительность к возможному выпадению конденсата и образованию гидратов в процессе расширения. Их отличает простота конструкции, ее технологичность.

На сегодняшний день разработаны и выпускаются серийно пневмодвигатели от 3,0 кВт до 60 кВт, прошедшие эксплуатационные испытания и длительную проверку временем.

Специфика конструкции предлагаемого мною ДГА заключается в том что пневмодвигатель вместе с генератором, соединенные в агрегат, в целях исключения утечек через уплотнения выходного вала пневмодвигателя, которые не допускаются по требованию правил безопасности, помещены в герметичный корпус. Электрический кабель при этом для защиты от повреждений помещен в металлическую трубу и выводится из герметичного корпуса через гермовывод, как это делается в типовых насосах для перекачки сжиженных газов типа ХГ. При этом рабочая среда служит для охлаждения обмоток электрогенератора.

В качестве генератора применен генератор с короткозамкнутым ротором с блоком автоматической регулировки и защиты САРЗ, размещаемым вне герметичного корпуса в помещении электрощитовой. Рабочая установка в начале 90-х годов после сдаточных испытаний на полигоне ОАО «Газавтоматика» в г. Саратове принята заказчиком для внедрения на ГРС в качестве резервного генератора электрического тока:

Установки, предлагаемые НПП «Газэлектроприбор», рас­считаны на небольшую мощность от 1 кВт до 30 кВт, отли­чаются простотой конструкции и достаточной надежностью. В зависимости от рабочего давления и от допустимого срабатываемого перепада давления установки автономно­го электроснабжения по конструктивному исполнению можно разделить на установки мощностью от 1 кВт до 5 кВт для ГРП и от 5 кВт до 30 кВт для ГРС. Установки для ГРП ком­плектуются генераторами постоянного тока с напряжени­ем от 24 В до 48 В, что позволяет использовать их как стан­ции катодной защиты, а также для освещения. При необхо­димости установки комплектуются блоками преобразова­ния напряжения до 220 В с частотой тока 50 Гц. Наряду с задачей энергосбережения основным преимуществом при­менения автономных источников электроэнергии на ГРП яв­ляется отсутствие необходимости в подводе линии элект­ропередачи.

Турбинные агрегаты малой мощности целесообразно использовать в качестве источника для питания станций катодной защиты. При этом мною предлагается использовать незначительный перепад давления, который имеет место в соседних трубопроводах при групповой прокладке магистральных газопроводов. Для получения 3 кВт электроэнергии, достаточно иметь перепад давления 0,4 МПа и переток газа 240 м³/ч.

Прогресс в деле применения и конструирования ДГА

Прежде всего проекты использования избыточной энергии давления газа при его редуцировании технически возможно и целесообразно реализовать прямо на газодобывающем предприятии природного газа.

Предлагается поток газа из скважин направлять через спецфильтр на рабочие органы привода, где газ, расширяясь произведет полезную работу. Затем, газ с пониженным до проектного давлением, направляется на объект подготовки газа к транспорту УППГ или УКПГ.

Газ очищается от механических примесей, капельной жидкости газ в сепараторах на УКПГ и УППГ. На газоконденсатных месторождениях для отбензинивания газа, среди прочих, применяется низкотемпературная сепарация (НТС).

Установка НТС включает следующий минимальный набор оборудования: сепаратор I ступени; узел впрыска в поток газа ингибитора гидратообразования (метанола, 70-80% раствора диэтиленгликоля или др.); рекуперативные теплообменники, дроссель, эжектор утилизации газа выветривания, низкотемпературный сепаратор (тонкой очистки); разделители газового конденсата и воды с ингибитором гидратообразования. На установках НТС, в настоящее время, охлаждение газа производится за счет дроссель-эффекта.

На этой технологической линии выявлен источник энергии, которую возможно утилизировать, встраивая автономный источник в линию перед низкотемпературным сепаратором.

Предлагается поток газа перед низкотемпературным сепаратором направить на рабочие органы привода, заменяя тем самым дроссель расширительной машиной. Это позволяет получить сравнительно более глубокое охлаждение газа и электроэнергию. Кроме этого, учитывая, что количество холода при этом вырабатывается в 4-5раз больше, чем при существующей технологии, установки НТС могут более длительное время работать без строительства дожимной станции.

Научно-производственным предпри­ятием «Газэлектроприбор» разрабо­тана установка, преобразующая по­тенциальную энергию избыточного давления газа непосредственно в теп­ло. Установка представляет собой гидродинамический нагреватель, ис­пользующий явление кавитации. Для нагрева жидкости используется энер­гия ее движения, которая передается от турбины к насосу, а от насоса к жидкости и превращается в тепловую за счет создания кавитации. Именно энергия схлопывания кавитационных пузырьков, вызывая давление в не­сколько десятков атмосфер, нагрева­ет воду. Далее нагретая вода попада­ет в обычную систему водяного ото­пления и используется на подогрев шкафов ГРП. В данном случае комплексно и экологически чисто ре­шается задача утилизации «бросовой» энергии перепада давления газа и пожаробезопасности. То же самое предлагается организовать и для обогрева помещения ГРС. Осталось только подключить к этому электронному инструменту управление одоризацией газа на ГРС в зависимости от показателей органолептических датчиков, призванных удерживать одоризацию газа в установленных пределах.

В целях дальнейшего развития установок, особенно крупных, упрощения конструкции предлагается ввести гидропередачу между расширительной машиной и генератором. Это позволит разместить генератор отдельно от расширительной машины, вывести его из взрывоопасной зоны. Также обороты генератора теперь можно легко стабилизировать и регулировать вне зависимости от изменений оборотов расширительной машины. Это позволяет подключать серийные генераторы электрического тока, например сварочные, и имеет еще ряд других преимуществ. Это предложение тоже опубликовано впервые.

Как правило, пункты получения энергии при утилизации избыточной энергии давления газа находятся вдали от возможных потребителей. Проще всего аккумулировать полученную энергию с помощью современных аккумуляторов, перевозить и реализовать потребителю в том виде, в котором это необходимо (речь идет о супермаховиках Гулиа). При условии веерного отключения электроэнергии это очень хороший способ для локальных потребителей, например, монтажных организаций или малых предприятий. Это очень упрощает весь процесс преобразования энергии, поддержания ее качества, соблюдение взрывобезопасности и т.д.

Американская компания Beacon Power сделала большой шаг в этом направлении, создав целую линейку тяжелых стационарных супермаховиков, предназначенных именно для включения в промышленные энергосистемы. Самые свежие разработки компании: маховичные накопители Smart Energy 6 и Smart Energy 25, с объемом накапливаемой энергии в 6 и 25 киловатт-часов соответственно, и с мощностью (которая может ими поглощаться или вырабатываться) в 2 и 200 киловатт (это максимум, номинал у этой модели - 100 киловатт). Каждая система представляет собой контейнер с 7 накопителями Smart Energy 6, суммарной пиковой мощностью в 100 киловатт (в течение 15 минут) и объемом накапливаемой энергии в 42 кВт·ч - и это не предел. «Зарядка» супермаховиков занимает несколько минут. Beacon Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, составляет 2%, что заметно лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах.

Читайте в разделе «Генерация» статью «ДГА в России и в мире».

Александр Мамедов, ОАО «УзЛИТИнефтгаз» (Ташкент)