Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы надежности электроснабжения конечных потребителей московского региона 10
1.1. Системный анализ надежности городской распределительной электрической сети
1.2. Определение путей развития и модернизации системы электроснабжения потребителей города Москвы 17
1.3. Выбор направлений развития малой энергетики для повышения надежности электроснабжения конечных потребителей 24
1.4. Проблемы эффективного применения детандер-генераторных агрегатов для электроснабжения потребителей Московского региона 33
2. Режим работы детандер-генераторных агрегатов параллельно с централизованной системой электроснабжения конечных потребителей 45
2.1. Особенности параллельного режима работы детандер-генераторного агрегата с электрической сетью 45
2.2. Выбор схемы подключения детандер-генераторных агрегатов при параллельном режиме работы с централизованной системой электроснабжения 53
2.3. Определение мест технологического присоединения детандер-генераторных агрегатов 62
3. Повышение надежности работы детандер генераторных агрегатов на примере ГРС «Южная» 75
3.1. Особенности работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт 75
3.2. Исследование установившихся режимов работы детандер-генераторных агрегатов 79
3.3. Исследование устойчивости детандер-генераторных агрегатов при внешних возмущениях 87
4. Разработка методов повышения показателей энергетической эффективности детандер-генераторных агрегатов 100
4.1. Анализ использования детандер-генераторной установки в качестве независимого источника электрической энергии 100
4.2. Математическая модель определения эффективности использования детандер-генераторной технологии 102
4.3. Разработка тригенерационной схемы на базе детандер-генераторных агрегатов для автономного энергообеспечения конечных потребителей 109
Заключение 114
Список использованных источников 116
- Определение путей развития и модернизации системы электроснабжения потребителей города Москвы
- Выбор направлений развития малой энергетики для повышения надежности электроснабжения конечных потребителей
- Выбор схемы подключения детандер-генераторных агрегатов при параллельном режиме работы с централизованной системой электроснабжения
- Математическая модель определения эффективности использования детандер-генераторной технологии
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с прогнозным балансом развития электроэнергетики на период 2009-2015 гг. и до 2020 г., разработанным Агентством по прогнозированию балансов в электроэнергетике, среднегодовые темпы прироста электропотребления на ближайшее десятилетие в России составят 1,9-2,8 %: от достигнутых 977,2 млрд.кВтч в 2010 г. до 1121,0 млрд.кВтч в 2015 г. и 1285,2 млрд.кВтч в 2020 г. Для объединенной энергетической системы Центра, включая ОАО «Мосэнерго», – основного производителя электрической энергии для Московского региона, объединяющего два субъекта Российской Федерации, – Москву и Московскую область, требуемый прирост электропотребления выше общероссийского и составит 2,2-3,2 %: от достигнутых 209,8 млрд.кВтч в 2010 г. до 242,0 млрд.кВтч в 2015 г. и 284,6 млрд.кВтч в 2020 г.
В последнее время вопрос надежного и бесперебойного энергообеспечения Московского региона становится особенно актуальным, в связи с тем, что резерв электрических мощностей в Москве в значительной степени исчерпан. В частности, 57 % электростанций ОАО «МОЭСК» считаются закрытыми для технологического присоединения. Кроме того, нарастает физический и моральный износ основных электросетевых установок, обусловленный истечением сроков их службы. Из-за отсутствия должного финансирования вынужденно проводится техническая политика по продлению срока службы оборудования, что существенно снижает уровень надежности электроснабжения конечных потребителей.
Проблема износа электрооборудования и невозможности, в ряде случаев, подключения к централизованной системе электроснабжения приводит к тому, что усиление и реконструкция электрических сетей в значительной степени финансируется потребителями за счет искусственных мер по завышению тарифов на электроэнергию и взимания платы за технологическое присоединение.
В связи с этим период 2010-2012 гг. характеризуется повышенным, ежегодно свыше 10 %, темпом роста цен для конечных потребителей, что объясняется расширением доли нерегулируемого сектора рынка электрической энергии и мощности, перехода на регулирование по принципу доходности инвестированного капитала (RAB) и постепенным увеличением нормы доходности, а также завершением работы рынка электроэнергетики переходного периода в 2011 году.
Рост тарифов в электроэнергетике, в силу высокой энергоемкости при строительстве и в промышленном производстве, увеличивает инфляцию, сдерживая темпы экономического роста.
Единственным выходом в сложившейся ситуации является проведение мероприятий по сокращению потребления энергетических ресурсов и рациональному их использованию.
Таким образом, исключительную важность приобретает развитие нетрадиционных технологий малой энергетики, которой в прогнозном балансе до 2020 г. отводится до 1,6 ГВт.
Существующий энергетический потенциал использования в Москве солнечной и ветровой энергий, а также биогазовых установок, не позволит даже в долгосрочной перспективе внести значительный вклад в модернизацию существующей централизованной системы электроснабжения и, одновременно, создать условия для развития и безубыточного функционирования объектов малой энергетики на основе возобновляемых источников энергии.
Поэтому крайне необходимо внедрение технологии, в которой будут учтены природно-географический фактор, структура производства и потребления энергоресурсов, характерные особенности столичного мегаполиса, показатели экономичности, экологичности и энергоэффективности.
Цель работы состоит в повышении надежности электроснабжения конечных потребителей за счет расширения и эффективного применения детандер-генераторных установок на станциях понижения давления газа
в Москве.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
1. Проведение анализа схемы и состояния надежности элементов системы электроснабжения конечных потребителей города Москвы с определением путей ее развития и модернизации, а также оценкой потенциала развития нетрадиционных источников энергии в условиях мегаполиса.
2. Исследование принципа, конструкции и режимов работы детандер-генераторной установки в качестве источника электрической энергии.
3. Определение зон территориальной дифференциации детандер-генераторных установок в Москве с расчетом установленной электрической мощности и токов короткого замыкания, определением схем, режимов работы и мест технологического присоединения.
4. Исследование режима работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт параллельно с энергосистемой на примере ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ» с определением оптимальных параметров электрической сети и условий устойчивой работы при внешних возмущениях.
5. Исследование автономного режима работы детандер-генераторной установки с разработкой методики оценки ее эффективности.
6. Разработка методов повышения эффективности использования детандер-генераторных агрегатов при независимом энергообеспечении конечных потребителей города Москвы.
Основные методы научных исследований. При выполнении работы использовались теоретические основы электротехники и теория электрических сетей и станций с применением методов математической статистики, ценологического подхода, регрессионного анализа, программно-технического комплекса расчета токов короткого замыкания и режимов работы синхронных машин, а также методы физического моделирования. Произведено математическое и физическое моделирование качественной, количественной и пространственной структуры детандер-генераторных агрегатов в проекции на Москву. Результатом теоретических исследований явилась разработанная методика определения эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве автономного источника электроснабжения конечных потребителей. Данная методика позволяет рассчитать электрические параметры детандер-генераторного агрегата и газопоршневой (газотурбинной) установки, а также мощность холодильной машины при совместном режиме работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Систематизации проблем надежности электроснабжения конечных потребителей города Москвы на основе комплексного анализа электрической схемы и состояния технологического оборудования распределительной сети.
2. Обосновании эффективности применения детандер-генераторных агрегатов в Москве в целях обеспечения надежного электроснабжения конечных потребителей.
3. Определении зон территориальной дифференциации детандер-генераторных установок, схем и мест их подключения к городской системе электроснабжения.
4. Получении диапазонов электрической мощности для определения схемы технологического присоединения детандер-генераторных агрегатов, при которых достигаются оптимальные показатели эффективности и финансовой реализуемости их установки на станциях понижения давления газа в Москве.
5. Разработке метода определения показателей эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве независимого источника электроснабжения конечных потребителей.
6. Разработке математической модели оценки эффективности детандер-генераторной технологии, позволяющей рассчитать электрические параметры детандер-генераторного агрегата и газопоршневой (газотурбинной) установки, а также холодильной машины в режиме тригенерации.
7. Разработке способа получения электрической и тепловой энергий, а также энергии холода на базе детандер-генераторной технологии для автономного энергоснабжения конечных потребителей города Москвы.
Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:
1. Обоснована возможность повышения надежности электроснабжения городских потребителей за счет установки детандер-генераторных агрегатов на станциях понижения давления газа в Москве, а также создания на их основе независимой электрической сети.
2. Определении зон территориальной дифференциации детандер-генераторных установок в Москве, величины их установленной мощности, электрических схем и мест подключения, а также оптимальных режимов работы.
3. Определении диапазонов электрической мощности, при которых достигаются оптимальные показатели эффективности и финансовой реализуемости установки детандер-генераторных агрегатов в Москве.
4. Определении оптимальных параметров электрической сети и условий устойчивой работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт при параллельной работе с энергосистемой.
5. Создании универсальной методики расчета показателей эффективности работы детандер-генераторной установки при автономном электроснабжении конечных потребителей.
6. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых энергоэффективных схем применительно к малой энергетике, подготовке и реализации программ по развитию и модернизации распределительных электрических сетей, а также энергосбережению и повышению энергетической эффективности в городе Москве.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физическими обоснованными допущениями, точностью теоретических и экспериментальных исследований, тем, что экспериментальные данные подтвердили корректность разработанной методики и проверены на действующей установке в Москве. Разработанные теоретические положения основываются на фундаментальных и прикладных научных дисциплинах, сопряженных с предметом исследования диссертации.
Реализация результатов работы.
Результаты работы внедрены в Москве на ГРС «Южная» государственного унитарного предприятия «МОСГАЗ».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Определены зоны территориальной дифференциации детандер-генераторных установок в Москве с расчетом установленной электрической мощности и токов короткого замыкания, определением схем, режимов работы и мест их технологического присоединения.
2. Определены оптимальные параметры электрической сети и условия устойчивой работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт при параллельной работе с энергосистемой.
3. Разработан метод оценки показателей эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве независимого источника энергии.
4. Разработана модель получения электрической и тепловой энергий, а также энергии холода, на базе детандер-генераторной технологии для энергообеспечения конечных потребителей города Москвы.
Апробация работы. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП ФГБОУ «НИУ «МЭИ» в 2010, 2011 и 2012 годах и обсуждались на ряде конференций и семинарах, в том числе:
1. V Молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 28-29 апреля 2010 г.).
2. X Совете Межреспубликанской ассоциации делового и научно-технического сотрудничества газовых хозяйств (Украина, г. Киев, 11-15 мая 2010 г.).
3. XXVII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (г. Москва, Правительство Москвы, 27-29 октября 2010 г.).
4. XV Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения – 2010» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-19 ноября 2010 г.).
5. XI Совете Межреспубликанской ассоциации делового и научно-технического сотрудничества газовых хозяйств, посвященного 145-летию газового хозяйства города Москвы (г. Москва, ГУП «МОСГАЗ», 29 ноября 2010 г.).
6. Конференции «Энергоаудит и энергосервис. Проблемы и решения» (г. Москва, Правительство Москвы, 20 июня 2011 г.).
7. XXVIII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (г. Москва, Правительство Москвы,
26-28 октября 2011 г.).
8. XVI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения - 2011» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 9-11 ноября 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 225 страницах, включая 29 таблиц и 21 иллюстрацию. Список использованной литературы включает 141 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 37 приложений. Приложения представлены на 93 страницах.
Определение путей развития и модернизации системы электроснабжения потребителей города Москвы
С 2007 года основным акционером ОАО «Мосэнерго» является ООО «Газпром энергохолдинг» с долей уставного капитала в 53,5 %, которое входит в группу компаний ОАО «Газпром» [126]. С момента вхождения в электроэнергетическую отрасль России группа компаний ОАО «Газпром» обеспечила ввод 1,9 ГВт новых мощностей. В приоритетных задачах компании на ближайшие годы предусмотрено увеличение установленной мощности свыше 42 ГВт. При этом инвестиции ОАО «Газпром» планируется направить в зоны стабильного спроса на электроэнергию, к которым, безусловно, относится Московский регион. Такая стратегия ОАО «Газпром», являющегося мировым лидером в области разведки и добычи, транспортировки и подземного хранения, а также переработки природного газа, объясняется очевидным желанием компании повысить уровень своей капитализацию и увеличить выручку от реализации «голубого» топлива. Поэтому производственно-хозяйственная деятельность ОАО «Газпром» направлена на сокращение объемов продаж углеводородного сырья внутри страны и расширение его поставок на международный рынок.
Москва является крупнейшим потребителем углеводородного сырья в Российской Федерации. Ежегодный транспорт природного газа по городской газораспределительной сети в зависимости от климатических условий находится на уровне 26-28 млрд.м3, что составляет более 13% от общего потребления в России. При этом 77% потребляемого природного газа приходится на 17 станций ОАО «Мосэнерго». Таким образом, для ОАО «Газпром» особо привлекательными объектами инвестирования являются электростанции ОАО «Мосэнерго». Как отмечалось, используемое в настоящее время генерирующее оборудование на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» с применением традиционных паротурбинных установок физически и морально устарело.
Мировой опыт показывает, что две трети вновь вводимых за рубежом электростанций работают по технологии парогазового цикла [4]. Это объясняется высокой экономической и производственной эффективностью, а также экологическим показателями ПТУ (низким уровнем выбросов оксида азота NOx). Такая система использования газа позволяет увеличить КПД установки до 52-59 % [6]. Ниже представлена схема парогазовой установки и ее идеальный цикл (рис.1.2) [81]. f s
Основные преимущества ПТУ перед традиционными ПТУ заключаются в высокой экономичности (более высокий по сравнению с ПТУ коэффициент использования топлива), экологичности (выбросы оксида азота не более 50 мг/м ), маневренности, энергоэффективностью (КПД достигает 60 %).
Так, для производства 1 кВтч электрической энергии необходимо затратить при применении паротурбинных агрегатов 0,28-0,36 м3/ч, парогазовых установок - 0,18-0,20 м3/ч природного газа [114].
Следует учитывать, что при реконструкции ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» в пределах существующих площадей устанавливается современное оборудование С увеличенной установленной мощностью. В таком случае, в соответствии с законом роста затраты на строительство и производство одной единицы энергоресурса сокращаются, чем дополнительно снижается себестоимость 1 кВтч электрической энергии.
Вложение средств ОАО «Газпром» в модернизацию и техническое перевооружение генерирующих мощностей, с одной стороны, позволит сократить объем потребления природного газа в Московском регионе с направлением его в страны ближнего зарубежья, с другой - увеличить рентабельность производства 1 кВтч электрической энергии.
Гораздо сложнее обстоит вопрос развития и модернизации в Москве электроустановок высокого напряжения, а также распределительных сетей высокого и среднего напряжений.
В мае 2008 года между Правительством Москвы и правопреемниками РАО «ЕЭС России» актуализировано соглашение о реализации инвестиционных программ по строительству и реконструкции электроэнергетических объектов для недопущения дефицита мощности и повышения надежности электроснабжения потребителей Москвы [128]. При этом не рассматривался вопрос применения нетрадиционных источников.
В соответствии с указанным соглашением до 2012 года подлежат реконструкции ПС «Бескудниково» 500 кВ, ПС «Очаково», «Чагино», «Сити-2» и «Бутово» 220 кВ, ПГУ на РТС «Строгино», ГТЭС «Терешково», «Коломенская» и «Кожуховская», а также других объектах.
Всего за трехлетний период предусматривается строителъство новых и модернизация действующих электросетевых объектов суммарной установленной электрической мощностъю 8,6тыс.МВт, в том числе 5,6тыс.МВт по программам правопреемников РАО «ЕЭС России» и 3,0 тыс.МВт - по программе Правительства Москвы.
Выбор направлений развития малой энергетики для повышения надежности электроснабжения конечных потребителей
Достижение приведенных показателей в области солнечных электростанций применительно к Московскому региону создаст конкурентную основу в выборе и определении путей развития нетрадиционной энергетики мегаполиса.
Существует другое направление в нетрадиционной энергетике - это получение жидкого или газообразного топлива из биомассы, с последующим преобразованием его в электрическую энергию. Ежегодный прирост биомассы на Земле составляет порядка 220 млрд.т, что эквивалентно накоплению 4-10" Дж[107,110]. Биомасса представляет собой топливо, схожее с каменным углем, поэтому для нее могут применяться уже имеющиеся технологии. В сценариях ACT (Accelerated Technology scenario) новые биоэнергетические установки увеличивают долю биоэнергетики в мировой выработке энергии к 2050 году до 15 %.
В Москве ежегодно образуется 2,8 млн.т твердых бытовых отходов (ТБО) в жилом секторе, 0,8 млн.т - крупногабаритного мусора, 1,9 млн.т-в нежилом секторе, свыше 4,0 млн.т - отходов строительства и сноса, 0,24 млн.т -медицинских отходов, 1,6 млн.т-промышленных отходов производства и потребления [28,30]. Объем загрязненных строительных грунтов составляет 7,8 млн.т, а осадков очистных сооружений - 1,9 млн.т. Итого, образуется более 21 млн.т отходов производства и потребления в городе Москве. Средний прирост объемов образования различных видов отходов на протяжении последних 10-15 лет достаточно стабилен и составляет 3-4 % в год. При таких темпах общий объем образования всех видов отходов производства и потребления в Москве к 2015 году превысит 30 млн.т.
При этом переработке подвергается лишь 0,5 млн.т ТБО, 1,1 млн.т отходов производства преобразуется во вторичное сырье. Остальные отходы размещаются на полигонах Московской области, оказывая негативное воздействие на экологическую ситуацию в Московском регионе.
В расчетах при оценке энергетического потенциала низшая теплота сгорания бытовых отходов принимается равной 5000-8000 кДж/кг. Применительно к Москве общий энергетический потенциал ТБО составляет l,51013-2,41013кДж. Наиболее перспективное направление энергетического использования биомассы-это производство из нее биогаза с последующим получением электроэнергии. В состав биогаза [120, 121] входит метан-СН4 (40-60%), углекислый газ-С02 (30-45%), a30T-N2 (1-3%) и различные примеси (водород, ароматические и галогенные углеводородные соединения).
В период 1995-1997 гг. в качестве объектов для оценки возможностей биогазовой технологии в Московском регионе построены на территории полигона «Дашковка» (Серпуховской район) и «Каргашино» (Мытищинский район) две пилотные установки по добыче и утилизации биогаза. В результате исследований, определены скорости образования биогаза, а также возможные объемы газодобычи. Средний объем выхода биогаза составил 600 - 800 м3/ч, из которого может быть использовано для получения электроэнергии только 50 %.
В настоящее время биоустановки функционируют в опытно-промышленном режиме и вырабатывают по 80 кВт электроэнергии каждая. Их опыт эксплуатации показал, что в условиях Московского региона из 1 м биогаза может быть произведено 1,3- 1,5 кВт электроэнергии.
Однако, современная финансовая ситуация и практика монопольного распределения электроэнергии заставляют сомневаться в возможности нахождения платежеспособного потребителя в Москве на данные объемы электричества [123]. Поэтому в сложившихся условиях целесообразно использовать произведенную электроэнергию частично для собственных нужд предприятия, эксплуатирующего полигон ТБО, а частично - для производства энергоемкой продукции хозспособом (например, производства рассады цветов или овощей в теплицах), что дает возможность снизить ее себестоимость и сделать конкурентоспособной в условиях рынка.
Таким образом, использование ТБО в качестве топлива для Московских потребителей связано с рядом трудностей таких, как: - удаленность мест захоронения ТБО с расположением их в Московской области; - низкая теплотворная способность ТБО по сравнению, например, с природным газом, что снижает привлекательность вложения средств в биогазовые установки. Так, для выработки 1 кВт электрической энергии необходимо затрать 0,3-0,4 м природного газа или, при прочих равных условиях, 0,8-0,9 м3 биогаза; - нестабильность объемов газогенерации в течение года с выраженной зависимостью от температуры и влажности; - сложность в точной оценке возможных объемов получения биогаза в местах захоронения ТБО. Возможно получение электрической энергии от трансформации энергии ветра, которая относится к числу постоянно возобновляемых источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца [17].
При этом мощность ветроэнергетической установки пропорциональна площади, отметаемой ветроколесом или ротором, и кубу скорости ветра [18]. Столь сильная зависимость генерируемой мощности от скорости ветра является критической и существенно ограничивает районы эффективного практического использования подобных установок [14, 19].
Выбор схемы подключения детандер-генераторных агрегатов при параллельном режиме работы с централизованной системой электроснабжения
Представленная система уравнений с использованием метода «треугольников скоростей» позволяет произвести расчеты характеристик ДГА.
С учетом точности проведения расчетов, воспользуемся формулой (2.29), определив энтальпии и температуры природного газа с помощью числовых диаграмм состояния газа и таблиц стандартных справочных данных показателей энтропии и энтальпии [119]. Плотность природного газа р при нормальных условиях примем равной 0,73 кг/м .
Перевод значений расхода в показатели расхода газа по массе произведем согласно формуле [117]: Q __ G р 1 (2.43) 3600 в состав системы газоснабжения города Москвы входит 387 действующих станций технологического понижения давления газа, преобразующих входное давление с 1,2 до 0,6, 0,3, 0,1 и 0,005 МПа, с 0,6 до 0,3, 0,1 и 0,005 МПа, с 0,3 до 0,1 и 0,005 МПа и с 0,1 до 0,005 МПа (рис.2.4) [129]. Ежегодный объем потребления природного в зависимости от климатических условий находится на уровне 26-28 млрд.м , что превышает 13 % от общего потребления в России. Среднегодовой рост газопотребления составляет свыше 1,8 %. Практически все станции, расположенные на территории Московского региона, увеличили объемы потребления газа за последние три года, в связи с ростом нагрузки и большей выработки электроэнергии для удовлетворения растущего спроса. В 2009 году доля ТЭЦ в потреблении газа составила 56,8 %, доля котельных по производству централизованного тепла - 27,5 %, технологические нужды промышленности - 3,8 %; мелкие котельные и население - 10,6 % и прочие потребители - 1,3 %. X Ґ
Схема расположения станций понижения давления газа на территории города Москвы Подставим в формулу (2.29) данные о значениях расхода газа, изменении разности энтальпий при Tjmjr=0,75 и определим электрическую мощность, которая может вырабатываться на станциях понижения давления газа в Москве.
В результате расчетов, суммарная электрическая мощность ДГА составила 78,648 МВт (приложение 3).
При этом анализ выполненных расчетов показывает, что: - при коэффициенте тст«2и более температура на выходе из ДГА ниже точки росы, что может привести к образованию кристаллогидратов, таких как С#4 6Н20, С2Н6 1Н20, С3#8 1Н20, С4#00 1Н20, закупориванию технологического оборудования и обмерзанию грунтов вдоль трассы залегания газопровода. Кроме того, привести к нарушению функционирования газопотребляющих установок потребителей; - при изменении давления с 1,05 до 0,1 и 0,005 МПа, 0,58 до 0,005 МПа, 0,3 до 0,005 МПа и 0,1 до 0,005 МПа (264 ГРП) перепад температуры достигает выше 100 С и выше, что может вызвать изменение агрегатного состояния природного газа. Данные ГРП малой производительности (не более 5000 м3/ч).
При этом для подогрева в них газа до заданной температуры необходимо подвести значительное количество тепловой энергии. В таком случае, расчет следует проводить, исходя из производства электрической энергии на собственные нужды при заданном значении установленной мощности с выбором промежуточной ступени редуцирования по величине установленной электрической нагрузки станции. Кроме того, необходимо учитывать неравномерность потребления газа бытовыми потребителями с явно выраженными часами максимума и минимума.
В настоящее время вопросу выбора способа и схемы подогрева природного газа посвящено значительно количество научных работ [50, 52, 54, 55, 57, 61, 122 и др.]. Доказано [117], что наиболее рациональным является подогрев газа перед ДГА, т.к. с ростом температуры повышается производительность турбодетандера. Опыт эксплуатации ДГА показывает, что нагревать газ необходимо таким образом, чтобы на выходе из детандера температура не превысила заданной по условиям эксплуатации установки величины, в качестве которой принимается температура, близкая к 0С, т.е. температура, гарантировано превышающая точку росы для транспортируемого газа, равную -7 - -13 С.
Произведем перерасчет электрической мощности ДГА при условии ограничения по температуре газа на выходе из турбодетандера, равной температуре на входе в ГРП. Тогда требуемая температура подогрева газа будет определяться как [117]: чЛ, где tn - температура газа на входе в ГРС.
Количество теплоты, которое необходимо подвести для нагрева газа перед ДГА до заданного значения определяется по формуле: Qnode=Gs-{K-\)-rlro, (2-45) где: \ - энтальпия газа перед ДГА; щ0 - КПД теплообменного аппарата. Результаты расчетов при условии подогрева газа сведены в таблицу (приложение 4). Из таблицы видно, что с ростом температуры наблюдается увеличение разности энтальпий до и после ДГА и, как следствие, величины электрической мощности. В результате, суммарный энергетический потенциал ДГА в Москве составляет 120,648 МВт.
С учетом полученных результатов и выводов во 2 главе настоящей работы, определим точки подключения ДГА при Nm 950 кВт. Расчет произведем на примере станции понижения давления газа ГРП-1 (табл.2.8). ГРП-1 расположено в районе «Богородское» Восточного административного округа города Москвы, электроснабжение которого осуществляется от 24 ЦП, в том числе: от шин генераторного напряжения ТЭЦ-11 и ТЭЦ-23, 3 ПС 220 кВ и 7 ПС ПО кВ, расположенных на территории ВАО (всего 12 ЦП), 1ПС220кВ за территорией Москвы и 11 ЦП, расположенных в других округах (ПС 220 кВ-2шт.: «Жулебино», «Елоховская», ПС ПО кВ-9 шт.: «Карачарово», «Некрасовка». Расчетная мощность ДГА составляет 6474 кВт.
Математическая модель определения эффективности использования детандер-генераторной технологии
При работе энергоутилизационного комплекса газ от подводящего газопровода под давлением 1,2 (0,6; 0,3) МПа при температуре 1=0-5 С после системы очистки поступает в коллектор ГРС или ГРП (1) и одновременно подводится к коллектору кожухо-трубчатого теплообменного аппарата (2). В результате работы ГПУ (ГТУ) (7) на природном газе с давлением 0,6 (0,3; 0,1) МПа, вырабатывается электрическая энергия, передаваемая конкретному конечному потребителю и/или группе потребителей. При этом от сжигания газа образуются продукты сгорания высокой температуры 300-500 С, посредством которых в водогрейном котле-утилизаторе (6) осуществляется нагрев теплоносителя (например, воды) до температуры, необходимой для подогрева газа. Затем теплоноситель передается в теплообменный аппарат (2), установленный перед входом в турбину ДГА (3), где происходит нагрев газа. При подаче газа в ДГА после его подогрева ротор турбины приводится во вращение газодинамическими силами. Ротор турбины жестко связан с ротором генератора (8), который также начинает вращаться, вырабатывая электрическую энергию.
При проходе газа через турбину ДГА в сопловом и лопаточном аппарате происходит его расширение со снижением температуры газа на 25-45 С в зависимости от соотношения входного и выходного давлений. Поток охлажденного газа ометает поверхность стенок генератора ДГА, чем обеспечивается его охлаждение. Затем газ поступает в коллектор низкого давления, к которому с помощью трубопровода присоединяется блок отбора холода (4). В этом блоке газ отдает холод хладагенту с помощью теплообменного аппарата. При этом сам газ нагревается и при допустимой температуре отводится в трубопровод для его подачи потребителям, а охлажденный промежуточный хладоагент с помощью насосов подается к воздухоохладителям холодильника (5), где он нагревается и принудительно возвращается в блок отбора холода (4), в котором он вновь охлаждается и т.д.
В случае если предусматривается длительный цикл работу ГПУ или ГТУ с целью обеспечения постоянного графика выработки электроэнергии, часть тепловой энергии, образовавшейся в результате утилизации отработавших газов, может быть использована для теплоснабжения собственных нужд станции и/или сторонних потребителей. Кроме того, возможно использование тепловой энергии, которая образуется в рубашке охлаждения тепловой машины, что также повышает эффективность энергосиловой установки.
Данная тригенерационная схема позволяет использовать ДГА в качестве независимого источника электрической энергии с максимальным эффектом от использования детандер-генераторной технологии. В режиме недостаточной генерации электроэнергии ДГА вводятся в работу ГПУ (ГТУ), и, наоборот, при отсутствии потребления электрической нагрузки ГПУ (ГТУ) отключаются.
Следует отметить, что полученная в предыдущем разделе математическая модель позволяет определить оптимальный режим работы энергоустановки при известных значениях параметров газа, электрической и холодильной нагрузки, осуществить правильный выбор установленной мощности ГПУ (ГТУ) и энергохолодильного комплекса, обеспечить их равномерную загрузку.
С позиции бесперебойного электроснабжения потребителей города Москвы электрическая схема представляет собой два независимых взаимно резервирующих источника питания, т.е. при наличии АВР в распределительной подстанции гарантировано обеспечивается I категория надежности.
Разработанная тригенерационная схема на базе ДГА является инновационной при производстве электрической и тепловой энергии, а также энергии холода, обладает высокой энергоэффективностью и обеспечивает: - гарантированный объем генерации электрической мощности в течение года; - необходимый уровень резервирования в системе электроснабжения; - возможность одновременного производства трех видов энергии; - инвестиционную привлекательность проекта внедрения детандер-генераторной технологии на станциях понижения давления газа в Москве; - создание конкурентных условий на рынке электроэнергии за счет низкой себестоимости 1 кВтч;
В настоящее время автором на основании полученных результатов исследований подана заявка в Федеральную службу по интеллектуальной собственности на выдачу патента на полезную модель «Система утилизации избыточного давления природного газа» (регистрационный номер №2012105459 от 17.02.2012), которая прошла 28.04.2012 г. государственную экспертизу с принятием положительного решения о выдаче патента.
