Введение к работе
к.т.н., доцент Степанова Т.А.
Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных направлений в области энергосбережения при транспорте природного газа является рекуперация энергии избыточного давления на узлах его редуцирования и потребления.
Одним из крупных потребителей природного газа является тепловые электрические станции (ТЭС), на которые природный газ поступает с давлением 0,5-1,2 МПа. Технология дальнейшего его использования требует снижения давления до 0,1-0,2 МПа. Давление снижается на газорегуляторном пункте (ГРП), как правило, путем дросселирования, т.е. энергия избыточного давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и таким образом, безвозвратно теряется. Снижение давления природного газа с одновременной выработкой электрической энергии можно осуществить в детандер-генераторном агрегате (ДГА).
Для предотвращения образования конденсата и гидратов в газопроводах и арматуре, а так же для обеспечения потребителей газа топливом требуемой температуры (0-20С) в большинстве схем применения ДГА газ перед поступлением в детандер подогревается до определённой температуры. Увеличение температуры перед детандером, кроме того, увеличивает его мощность. При установке ДГА на ТЭС имеется возможность использовать для подогрева природного газа различные энергоносители высокого и низкого потенциала, в том числе и вторичные энергоресурсы. Поэтому при выборе схемы подогрева природного газа необходимо дать технико-экономическую оценку общей эффективности каждой схемы.
Анализ научно-технической литературы, показал, что вопрос о выборе наиболее эффективного способа подогрева природного газа с помощью сравнительного термодинамического и технико-экономического исследования изучен не достаточно глубоко. Наиболее полно эти вопросы освещены в работах В.С. Агабабова, Е.В. Джураевой, А.Ю. Архаровой. В большинстве работ оценка эффективности применения ДГА на ТЭС производиться с использованием таких критериев как изменение удельных показателей работы всей станции до и после установки ДГА. Поскольку мощность ДГА на два порядка меньше мощности всей ТЭС, это не позволяет проанализировать влияние различных факторов на технико-экономические показатели ввиду их малости по сравнению с показателями работы основного оборудования ТЭС.
Одним из основных параметров, влияющих на экономичность той или иной схемы применения ДГА на ТЭС, является мощность вырабатаваемая турбодетандером. Поэтому правильное ее определение является обязательным условием корректности проводимых расчетов. Следует ожидать, что расчеты, выполненные по известным уравнениям идеального и идеализированного газа, могут приводить к заметным погрешностям, а допущения 100% содержания метана в природном газе диктуется лишь необходимостью упрощения расчета и возможностью его автоматизации. Погрешности таких упрощений в работах, как правило, не приводятся.
Наша страна является одной из основных газодобывающих стран и обладает большим потенциалом использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электричества. По оценкам специалистов на территории РФ существует около 600 объектов – ГРС и ГРП, располагающих условиями для строительства и эксплуатации турбодетандерных агрегатов, которые могут выработать до 15 млрд. кВт*ч энергии в год.
Принимая во внимание непрерывный рост потребления природного газа в России и в мире можно отметить необходимость дальнейшего изучения эффективности внедрения ДГА как на действующих, так и на строящихся ТЭС.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности использования избыточного давления природного газа в ДГА на основе рационального выбора схемы его подогрева, базирующегося на аналитических зависимостях определения параметров с использованием термодинамического, энергетического и экономического анализов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика проведения термодинамического анализа схем применения ДГА, учитывающая изменение параметров ТЭС, связанных с установкой ДГА, позволяющая определить наиболее эффективный вариант подогрева газа с учетом конкретных условий его применения.
На основе результатов проведенных термодинамического, энергетического и экономического анализов, представлены рекомендации по выбору наиболее экономичной схемы установки ДГА, в зависимости от влияющих факторов.
Проанализированы и обобщены полученные данные о точности расчета удельной работы расширения в ДГА при идеализации природного газа и использовании упрощений и допущений о его составе, и показаны получаемые при этом изменения экономических показателей.
Разработана схема установки ДГА на ТЭС, позволяющая увеличить электрическую мощность турбодетандера за счет понижения давления газа за детандером с помощью инжектора.
Определено влияние на эффективность подогрева природного газа при применении ДГА числа часов работы пиковых водогрейных котлов, режима работы паровых турбин, удельного расхода топлива на выработку кВтч и давления используемого отборного пара.
Практическая ценность.
С использованием разработанной методики, сделаны рекомендации, позволяющие определить наиболее экономичную схему применения ДГА в системе газоснабжения ТЭС в зависимости от конкретных условий его применения.
Разработаны матрицы h-s для различных составов природного газа, с использованием которых проведены расчеты и получены результаты, позволяющие повысить точность расчетов параметров энергетических систем и установок. Разработана эксергетическая диаграмма свойств метана.
Разработана и запатентована схема с использованием ДГА для потребителя природного газа, работающего при наличии избытков природного газа в условиях значительного колебания его расхода.
Даны рекомендации по выбору давления отбора паровой турбины для подогрева природного газа перед детандером в зависимости от температурных ограничений, установленных заводом изготовителем ДГА.
В дисциплинах, читаемых по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» используются полученные материалы по свойствам природного газа с различным содержанием метана и данные по выбору схем его подогрева при использовании ДГА на ТЭС.
Достоверность и обоснование результатов в значительной степени достигается использованием результатов расчетов реальных свойств природного газа (полученные с использованием программного продукта MIXTURA-15), базирующихся на классических уравнениях состояния. Кроме того, в расчетах частично использованы конкретные результаты опытно-промышленных испытаний ДГА на ТЭЦ-23 г. Москвы, а так же результаты удельных показателей по ряду конкретных установок.
Автор защищает:
-
Методику расчета эксергетического коэффициента эффективности ДГА, учитывающую влияние ДГА на работу основного оборудования ТЭС.
-
Полученные результаты термодинамического, энергетического и экономического анализа возможных схем подогрева природного газа при использовании ДГА на ТЭС.
-
Полученные данные о точности расчета удельной работы расширения в ДГА при идеализации природного газа и использовании упрощений и допущений о его составе, и получаемые при этом изменения экономических показателей.
-
Полученные в работе данные о выборе давления отбора пара в схеме с подогревом природного газа паром из отборов турбин.
Личный вклад автора заключается:
- в проведении термодинамического, энергетического и экономического анализа возможных схем подогрева природного газа при использовании ДГА на ТЭС;
- в разработке методики расчета эксергетических коэффициентов эффективности ДГА, учитывающей внешние связи с основным оборудованием ТЭС;
- в проведении анализа методов расчета удельной работы расширения природного газа для широкого диапазона давлений и расчете погрешности каждого из методов;
-в проведении анализа изменения основных экономических показателей, вызванных погрешностью определения мощности ДГА;
- в проведении исследования эффективности подогрева природного газа паром различных параметров из отборов турбин.
Апробация и публикации
Результаты работы были представлены на тринадцатой, четырнадцатой, пятнадцатой и шестнадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», на Пятой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика».
Основное содержание работы изложено в 14 публикациях, в том числе в одной статье в реферируемом журнале из перечня ВАК и в описании патента на полезную модель.
Структура и объем работы.
