В России действует самая протяженная газотранспортная сеть в мире, включающая 155 тыс. км. магистральных газопроводов. Более 4000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) суммарной мощностью 44,2 ГВт ежегодно перекачивают около 700 млрд. куб. м. природного газа на расстояние в тысячи километров. Около 85% ГПА имеют привод от газотурбинных установок с к.п.д. всего 23-35%. Это значит, что 1,2-1,3 млн. ГДж тепла в год (температура выхлопных газов достигает 500ºС) выбрасывается в атмосферу! Используя это тепло, можно было бы обеспечить около 5000 МВт такой необходимой в России электроэнергии.
Основные газотранспортные коридоры России
Источник: Доклад Б.В. Будзуляка «Развитие газотранспортной системы», М. 2006 г.
В настоящее время специалистами предлагаются различные пути совершенствования газотранспортной системы. Среди наиболее перспективных: повышение рабочего давления, использованием внутреннего гладкостного покрытия труб, применения ГПА повышенной экономичности и надежности. Кроме того, важнейшим направлениям становится поиск путей рационального использования тепла выхлопных газов газотурбинных установок используемых в качестве привода ГПА.
Компрессорная станция
Источник: сайт www.gpsi.ru
Газотурбинный привод является основным типом в компрессорном парке ОАО «Газпром», его доля достигает 85%. По оценкам специалистов ВНИИГаз доля этого типа будет только возрастать. На сегодняшний день газотурбинный парк ОАО «Газпром» состоит из более чем 20 типов агрегатов различных производителей мощность 2,5-25 МВт. Номинальный к.п.д. этих агрегатов находится в диапазоне 23-35%. Температура выхлопных газов (смесь воздуха и продуктов сгорания) достигает 500°С. В большинстве случаев это тепло никак не используется!
Источник: доклад генерального директора ООО «ВНИИГАЗ» Р.О. Самсонова
«Тенденции и перспективы развития газовой отрасли России», М. 2006 г.
Решение проблемы достаточно очевидно: установка паротурбинной теплоутилизационной надстройки. То есть установка на газотурбинной компрессорной станции котлов-утилизаторов (куда направляются горячие выхлопные газы) и одной или нескольких паровых турбин, служащих приводом для компрессора либо генератора.
В России были реализованы всего несколько проектов перевода газотурбинных компрессорных станций на парогазовый цикл. В частности, в 2002 году Калужский турбинный завод вел подготовку к опытно-промышленной эксплуатации утилизационного топливно-энергетического комплекса (БУТЭК) мощностью 500 кВт на компрессорной станции «Чаплыгино» (Мострансгаз). По расчетам того времени для теплоутилизационного комплекса мощностью 6 МВт стоимость установки 1 кВт мощности составляла не более 350 долл/кВт, себестоимость электроэнергии всего 10-12 коп./кВт*ч.
В Европе и Северной Америке, где энергоносители всегда стоили гораздо дороже, чем в нашей стране, изначально сложился совершенно иной подход к утилизации тепла от любых промышленных источников. На сегодняшний день, там накоплен большой опыт строительства компрессорных станций с надстройками, использующими тепло выхлопных газов. В одном из последних выпусков журнала Diesel & Gas Turbine Worldwide опубликована статья, подробно рассказывающая о работе таких установок на одном из самых длинных (2010 км) газопроводов США «Northern Border Pipeline».
Компрессорные станции на газопроводе «Northern Border Pipeline» оснащены теплоутилизационными установками ORMAT® ENERGY CONVERTER (OEC). Высокая эффективность этих установок обусловлена использованием в качестве рабочего тела в тепловом контуре не водяного пара, а пентана.
Для поддержания давления на газопроводе построено 17 компрессорных станций. В том числе, 11 из них имеют привод от газотурбинных установок (ГТУ) Rolls-Royce RB211 мощностью 28 МВт, 2 - от ГТУ Rolls-Royce Avon 16 МВт, 4 имеют электропривод.
Газотурбинная установка Rolls-Royce RB211 имеют расход газа на выходе из ГТУ 91,3 кг/с. В установке реализован двухвальный принцип, что обеспечивает асинхронную частоту вращения турбины и генератора. Температура уходящих газов около 510°С. Максимальный к.п.д. установки достигает 37,2%. Установка потребляет 167-198 тыс. м. куб. газа в день.
Компрессорные станции на базе ГТУ Rolls-Royce RB211 оснащены турбинными надстройками, которые построила и эксплуатирует компания Ormat Technologies. (www.ormat.com). В основе работы установки – органический цикл Ренкина. В отличии от классического цикла Ренкина, где в качестве рабочего тела используется пар, здесь применяется органический газ пентан (C5H12).
На снимке: компрессорная станция №11 газопровода «Northern Border Pipeline оснащенная утилизатором тепла
Источник: журнал Diesel & Gas Turbine Worldwide
При использовании источников низкопотенциального тепла физические свойства пентана (низкая температура кипения, повышенная теплоемкость) делают его применение, в качестве рабочего тела, более экономически выгодным по сравнению с паром. Это позволяет создавать высокоэффективные энергетические комплексы для: утилизации тепла в промышленности, геотермальной энергетики, солнечной энергетики.
Если сравнить циклы Ренкина для пентана и пара в T-s диаграммах (температура-энтропия) можно заметить, что при использовании первого из них цикл происходит при более низких температурах и меньших затратах теплоты.
Циклы Ренкина для пентана и пара в T-s диаграмме
Источник: Википедия
Итак, в утилизационной установке (ORMAT® ENERGY CONVERTER (OEC)) в качестве рабочего тела используется пентан, который циркулирует в двух независимых контурах. В жидком состоянии (когда рабочее тело охлаждается и сжимается) пентан приобретает форму минерального масла.
Весь процесс (см. схему ниже) начинается в первом контуре с нагрева масла в котле-утилизаторе (heat-recovery unit), куда поступают выхлопные газы турбины (при температуре около 500°С). Температура кипения пентана сравнительна низка (36,1°С при нормальных условиях), поэтому в котле-утилизаторе он быстро переходит в газообразное состояние, после чего, имея температуру около 260°С, направляется в испаритель (vaporizer).
В испарителе достигается кипение и перегрев пентана циркулирующего во втором контуре. Пентан второго контура поступает в испаритель предварительно подогретым в подогревателе низкого давления (Preheater). Из испарителя пентан первого конура с температурой около 200 °С направляется в турбину (Turbine), а пентан первого контура – в подогреватель низкого давления.
Процесс настроен таким образом, что в турбине не происходит конденсации пентана в ходе срабатывания теплоперепада. На выходе из турбины пентан имеет температуру около 40°С, его температура снижается сначала в рекуператоре (Recuperator), а затем в воздушном конденсаторе (Condenser) охлаждаемом вентиляторами (Fan).
После конденсатора в жидком состоянии пентан начинает подогреваться сначала в рекуператоре, затем в подогревателе низкого давление и наконец в испарителе.
Схема работы установки для утилизации низкопотенциального тепла компании Ormat Technologies
Источник: журнал Diesel & Gas Turbine Worldwide
По расчетам к.п.д. процесса составляет 18%. То есть эффективность использования теплоты природного газа на компрессорной станции с учетом газотурбинной установки достигает 55,2 %.
При работе совместно с одной ГТУ Rolls-Royce RB211 мощностью 28 МВт установка OEC обеспечивает 6,5 МВт электрической мощности. На собственные нужды установки (насосы, вентиляторы, система управления и пр.) необходимо 0,8 МВт мощности. То есть, 5,7 МВт может быть выдано в сеть либо использовано на нужды компрессорной станции. Суммарно на четырех компрессорных станциях газопровода «Northern Border Pipeline» таким образом получили 62,7 МВт дешевой электрической мощности. По оценкам компании Ormat Technologies стоимость электроэнергии составляет около 0,05 центов за кВт*ч.
На снимке: турбина, использующая в качестве рабочего тела пентан вместе с генератором.
Источник: журнал Diesel & Gas Turbine Worldwide
Среди преимуществ использования установок OEC выделяют меньшие размеры и металлоемкость конструкции по сравнению с вариантом паротурбинной установки. Это вызвано меньшим, по сравнению с паром, удельным объемом пентана. В результате чего применяются меньшие по размеру и металлоемкости, а следовательно более дешевые, турбины, трубопроводы и конденсаторы.
Кроме того, использование вентиляторного охлаждения в органическом цикле Ренкина более эффективно, конденсация происходит при давлении близком к атмосферному. Это важно в условиях недостатка либо полного отсутствия питательной и охлаждающей воды (которая потребовалась бы при работе паротурбинной установки) на компрессорных станциях.
Для справки: компания Ormat Technologies – мировой лидер в области геотермальной и промышленной энергетики. Компания была основана в Израиле, с 1972 года ведет деятельность в США. На счету компании десятки открытий и изобретений. Компания представляет собой вертикально-интегрированную структуру, основной бизнес которой связан с разработкой, строительством, эксплуатацией и обслуживанием объектов геотермальной энергетики и установок для выработки электроэнергии из низкопотенциального тепла на промышленных объектах.
