Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ способов и технологических схем использования энергии избыточного давления природного газа 9
1.1 Турбодетандерные установки стран СНГ 9
1.2 Турбодетандерные установки фирм зарубежных стран.. 22
1.3 Перспективные схемы турбодетандерных установок 29
1.4 Теоретические основы использования энергии избыточного перепада давления природного газа 34
1.5 Анализ технологических схем турбодетандерных установок 35
1.6 Постановка задачи 37
Глава 2 Разработка математических моделей, алгоритмов и программ расчетов оборудования турбодетандерных установок 38
2.1 Определение исходных данных для разработки турбодетандерных установок 38
2.2 Математическая модель термогазодинамического расчета проточной части многоступенчатого турбодетандера 41
2.3 Математическая модель системы автоматического регулирования турбодетандерной установки 49
2.4 Математическая модель расчета теплообменного аппарата 73
2.5 Методы расчета технико-экономических характеристик энергосберегающих турбодетандерных установок (ЭТДУ) 79
Глава 3 Разработка и исследование технологических схем энергоутилизационных комплексов на основе турбодетандерных агрегатов и газотурбинных установок 86
3.1 Энергосберегающие турбодетандерные агрегаты — ЭТДА 86
3.2 Технологические схемы энергосберегающих турбодетандерных установок для ГРС 90
3.2.1 Технологическая схема энергосберегающего турбодетандерного комплекса на основе 2-ух турбодетандерных агрегатов 93
3.2.2 Технологическая схема энергоутилизационного комплекса на основе энергосберегающих турбодетандерных агрегатов и газотурбинных установок 96
3.2.3 Результаты исследования параметров ЭТДА по двум вариантам технологических схем ТЭУК для ГРС 100
3.3 Определение технико-экономических характеристик энергоутилизационного комплекса на основе энергосберегающих турбодетандерных установок ЭТДУ-4000 и газотурбинной электростанции ГТЭС 6000 105
Глава 4 Разработка и исследование энергоутилизационного комплекса для водогрейных котельных на основе турбодетандерной и газотурбинной установок 124
4.1 Технологическая схема турбодетандерной установки 124
4.2 Технологическая схема энергоутилизационного комплекса на основе энергосберегающего турбодетандерного агрегата и газотурбинной установки. 127
4.3 Результаты исследования параметров ЭТДА по двум вариантам технологических схем ТЭУК для ГРП водогрейной котельной 130
4.4 Технико-экономические характеристики энерго утилизационного комплекса на основе энергосберегающего турбодетандерного агрегата ЭТДА 1500 и газотурбинной установки ГТЭ-6 135
Глава 5 Результаты практической реализации разработанных энергосберегающих турбодетандерных установок 171
5.1 Энергосберегающая турбодетандерная установка мощностью 1500 кВт-ЭТДУ-1500 171
5.2 Энергокомплекс на основе двух энергосберегающих турбодетандерных агрегатов мощностью 8000 кВт -ЭТДА-8000 178
Выводы 186
Список использованной литературы
- Теоретические основы использования энергии избыточного перепада давления природного газа
- Математическая модель термогазодинамического расчета проточной части многоступенчатого турбодетандера
- Технологическая схема энергосберегающего турбодетандерного комплекса на основе 2-ух турбодетандерных агрегатов
- Результаты исследования параметров ЭТДА по двум вариантам технологических схем ТЭУК для ГРП водогрейной котельной
Введение к работе
з
Актуальность работы. В наступившем столетии по многочисленным исследованиям экспертов будет наблюдаться резкое возрастание роли природного газа в энергетике многих стран. Опубликованные прогнозы свидетельствуют, что к 2030 году потребление газа в мире может удвоиться, а межрегиональные поставки утроиться. В России за 20 лет планируется увеличение добычи природного газа на 27 %, и общий объем добываемого газа будет достигать 750 млрд. куб. м в год.
Природный газ - энергия XXI века. Так образно подчеркивается его значение в развитии топливно-энергетического комплекса современного общества. Доля природного газа в мировом топливно-энергетическом комплексе, как ожидается, в первой половине XXI века возрастет до 30 %, а в России к 2015 году составит 57 %.
Для достижения цели стабильного, бесперебойного и экономически эффективного удовлетворения постоянно возрастающего внутреннего и внешнего спроса на природный газ Энергетической стратегией России на период до 2020 года предусматривается сокращение потерь и снижение затрат на всех стадиях технологического процесса при добыче, подготовке и транспорте газа, а также решение задач ресурсо- и энергосбережения.
С точки зрения энергосбережения в газотранспортной системе на сегодня весьма перспективной является утилизация энергии избыточного давления природного газа, подводимого по газопроводам к газораспределительным станциям (ГРС) и газораспределительным пунктам (ГРП) промышленных потребителей газа.
Техническим средством при этом являются специально разрабатываемые энергосберегающие турбодетандерные агрегаты, преобразующие энергию избыточного давления природного газа в электроэнергию.
По оценкам специалистов на территории РФ существует около 600 объектов - ГРС и ГРП, располагающих условиями для строительства и
4 эксплуатации турбодетандерных агрегатов, которые могут выработать до 15 млрд. кВт-ч электроэнергии в год.
В настоящее время на ГРП многочисленных промышленных предприятий европейских стран, США, Японии и др. находятся в эксплуатации турбодетандерные агрегаты различного уровня электрической мощности от 0,3 до 8,0 МВт.
Разрабатываются и внедряются турбодетандерные агрегаты и в России. Например, с 1995 года успешно эксплуатируется на ТЭЦ-21, а с 2008 - на ТЦ-23 ОАО «Мосэнерго» по два турбодетандерных агрегата ДГА-5000 разработки ОАО «Криокор» (г. Москва) — ОАО «НЛП «Энергия» (Кривой Рог, Украина). ООО «ТурбоДЭн» (г. Москва) разработан типоразмерный ряд энергосберегающих турбодетандерных агрегатов - ЭТДА - мощностью 1500, 2500, 4000, 6000 и 8000 кВт. Сооружены: на ГРП ТЭЦ ОАО «Сода» (г. Стерлитамак) энергосберегающий турбодетандерный агрегат мощностью 1500 кВт - ЭТДА-1500, два агрегата мощностью по 8000 кВт - ЭТДА-8000 на ГРП тепловой электростанции г. Исфагана (Иран).
Принципиальное конструктивное устройство утилизационных турбодетандерных агрегатов достаточно простое. Их основными элементами являются: турбодетандер, где происходит расширение от входного до заданного выходного давления природного газа, электрогенератор, воспринимающий мощность турбодетандера, автоматическая система управления и система смазки подшипников. Отсутствие процесса сжигания газа обеспечивает полную экологическую чистоту технологического процесса.
Эти особенности турбодетандерных агрегатов, потенциальная масштабность их внедрения, служат основанием для дальнейшего развития и совершенствования их технологических схем, конструкции узлов и систем, а также - для разработки их новых модификаций и размеров.
Цель работы. Целью настоящее работы является разработка технологических схем и методов расчетов технико-экономических характеристик турбодетандерных установок, предназначенных для преобразования энергии
5 избыточного перепада давления природного газа в электроэнергию на ГРС и ГРП промышленных предприятий.
Конкретными задачами в работе являлись:
определение газодинамических характеристик ГРС и ГРП, обладающих необходимыми и достаточными условиями для их оснащения турбодетандерными установками;
построение алгоритма и программы расчета характеристик турбодетандеров, соответствующих газодинамическим характеристикам ГРС и ГРП;
построение математической модели, алгоритма и программы расчета характеристик системы автоматического регулирования турбодетандерного агрегата;
разработка технологических схем турбодетандерных установок для производства электроэнергии на ГРС и ГРП в комплексе с газотурбинными установками;
разработка математической модели, алгоритма и программы расчета технико-экономических характеристик турбодетандерных установок;
определение и исследование технико-экономических характеристик турбодетандерных установок с конкретными параметрами оборудования на основе турбодетандерных агрегатов и газотурбинных электростанций для конкретных ГРС и ГРП.
Научная новизна работы:
Определены газодинамические характеристики ряда ГРС и ГРП, обладающих необходимыми и достаточными условиями для их оснащения турбодетандерными установками.
На основе одномерного течения природного газа построен алгоритм и программа расчета характеристик турбодетандерных агрегатов.
Построена математическая модель, алгоритм и программа расчета характеристик системы автоматического регулирования турбодетандерных установок.
Разработаны технологические схемы турбодетандерных установок на основе турбодетандерных агрегатов и газотурбинных электростанций для конкретных ГРП и ГРС.
Построена математическая модель, алгоритм и программа расчета технико-экономических характеристик турбодетандерных установок для ГРС и ГРП промышленных предприятий.
Определены технико-экономические характеристики турбодетандерных установок на основе турбодетандерных агрегатов и газотурбинных электростанций - энергоутилизационных комплексов мощностью 7,5 и 14,0 МВт.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработанные математические модели: термогазодинамического расчета турбодетандера, системы автоматического регулирования турбодетандерного агрегата и технико-экономических характеристик турбодетандерных установок, реализованные в виде программ, позволяют определять технические характеристики турбодетандерных установок для их сооружения на конкретных ГРС и ГРП.
Предложенные автором и разработанные при его непосредственном участии технологические схемы и характеристики турбодетандерных установок на основе турбодетандерных агрегатов и газотурбинных электростанций послужили основой: разрабатываемых проектов энергоутилизационных комплексов - ТЭУК-14 для ГРС-4 г. Череповца и ТЭУК-7,5 для ГРП водогрейной котельной южной части г. Магнитогорска, а также разработанных проектов энергосберегающей турбодетандерной установки на основе ЭТДА-1500 для ГРП ТЭЦ ОАО «Сода» и турбодетандерного комплекса на основе 2-ух ЭТДА-8000 для ГРП тепловой электростанции г. Исфагана (Иран).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
Всероссийской научно-практической конференции «Новое энергосберегающее оборудование», г. Лысьва, Пермский край, 2002г.
7 VII Московском международном форуме «Энергетика и общество», г. Москва, 2005г.
Расширенном заседании научно-технического совета Министерства энергетики Исламской Республики Иран, Тегеран, 2008г.
III Международной практической конференции «Эффективные решения по реконструкции и развитию магистральных газопроводов», Казахстан, Алматы, 2009г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных статей.
Структура и объем диссертационной работы.
Теоретические основы использования энергии избыточного перепада давления природного газа
Фирмой «AEG-Kanis» на электростанции «Herdecke», оснащенной 2-мя газотурбинными двигателями мощностью по 76,5 МВт каждый, разработан и установлен турбодетандерный агрегат KR-16. Номинальная электрическая мощность агрегата составляет 1,69 МВт. Расход газа через турбодетандер -0,3 - - 1,7 млн.н.м /сут; давление газа на входе в турбодетандер — 3,8 - 6,8 МПа. Турбодетандер агрегата - многоступенчатый, осевого типа. Частота вращения роторатурбодетандера- 10 700 об/мин, генератора— 1500 об/мин.
На ГРС электростанции «Artikes» с 1965 г. эксплуатируется турбоагрегат французской фирмы «С.Е.М.» Давление газа на входе в турбодетандер составляет 4,2 МПа, на выходе - 0,25 МПа. Расход газа через турбодетандер равен 33 тыс.н.м /ч, мощность электрогенератора — 3 МВт.
С 1976г. на ГРП химкомбината г. Парди (Франция) эксплуатируется разработанная немецкой компанией «Linde» турбоустановка, предназначенная для выработки электроэнергии и холода. Расход газа составляет 25 тыс.н.м /ч, давление на входе - 2,8, на выходе — 0,34 МПа. Турбодетандер - центростремительного типа, двухступенчатый, мощностью 1,1 МВт. Холодопроизводительность установки равна 947 кВт, температура газа на входе - плюс 20 С.
На ГРС итальянского г. Равенна с 1987г. находится в эксплуатации турбодетандерная установка, предназначенная для производства электроэнергии. Турбодетандер установки состоит из двух частей - высокого и низкого давления. Газ, подогретый в теплообменнике «вода-газ», с давлением Pi.о поступает в первую часть турбодетандера, где частично расширяется до давления Pi_2. Далее газ направляется во второй теплообменник «вода-газ», нагревается там и с давлением Рг-о поступает во вторую часть турбодетандера, в которой окончательно расширяется до давления Р2-2 Давление газа на входе в турбодетандер составляет 4,2, на выходе — 0,5 МПа; температура газа на входе - 60,4, на выходе - 5,2 С. Электрогенератор — асинхронный, напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Мощность установки равна 940 кВт, частота вращения ротора турбодетандера - 23600 об/мин, электрогенератора -3000 об/мин.
Аналогичная установка эксплуатируется на ГРС сахарного завода в г. Феррара (Италия). В этой установке газ на входе в первую часть турбодетандера нагревается до 62,7 С, а на входе во вторую - до 61,0 С. В системе подогрева газа используются теплообменники «вода-газ». В первой части турбодетандера газ расширяется от 4,0 + 4,3 до 1,46 МПа, а во второй — до конечного давления газа - 0,48 + 0,52 МПа. Расход газа через детандер составляет 23 тыс. н.мЗ/ч, внутренний КПД турбодетандера - 77 %. Количество производимой электроэнергии составляет примерно 70 % от количества тепла, затрачиваемого на подогрев газа [18].
На ГРС ТЭС г. Менсио (Италия) сооружена установка, в которой применены два последовательно установленных турбодетандера, приводящих через общий редуктор асинхронный электрогенератор мощностью 3,3 МВт. Оба турбодетандера - двухступенчатые; частота вращения ротора первого турбодетандера составляет 24000, второго - 18000 об/мин.; частота вращения ротора электрогенератора- 1500 об/мин [19].
Номинальное давление газа на входе в установку равно 5, на выходе -0,2 0,5 МПа; номинальный расход - 45 тыс.н.м3/ч; температура газа на входе 170 С, на выходе — 5 - - 20 С. Подогрев газа производится водяным паром температурой 210 С в кожухотрубчатом пароконденсационном теплообменнике. Установка снабжена устройством изменения геометрии соплового аппарата, агрегатами системы управления, системой смазки и охлаждения масла и вспомогательным оборудованием.
Бельгийская фирма «АСЕС» разрабатывает и изготавливает турбодетандерные установки для выработки энергии на ГРС. Состав основного оборудования установки: центростремительный турбодетандер, взрывозащищенный асинхронный электрогенератор, подогреватель газа, выпрямитель и обратный преобразователь тока. Генератор вырабатывает ток частотой 333 Гц, который затем преобразовывается в стандартный с частотой 50 Гц. Степень понижения давления в турбодетандере — 3. Частота вращения ротора составляет 20000 об/мин. Первые установки, изготовленные этой фирмой, имели мощность около 300 кВт при внутреннем КПД турбодетандера 0,80 [20].
Бельгийской фирмой «ABB Energie» разработана промышленная турбодетандерная установка для ГРС компании «British Gas» в Кенте [21]. Турбодетандер, приводящий асинхронный электрогенератор, имеет мощность от 100 до 1070 кВт при расходе газа от 2 до 6 кг/с и частоте вращения 14 000 + 16 000 об/мин. Расширение газа происходит в двух ступенях турбодетандера: в первой ступени газ, предварительно нагретый до 50 С, расширяется до 1,75 МПа, затем снова нагревается до 50 С и расширяется во второй ступени до 0,12 МПа и до температуры около 0 С.
Система электрической трансформации преобразует ток, вырабатываемый электрогенератором с параметрами 900 В и 266 Гц, в ток с параметрами 11 кВ и 50 Гц. Система управления, созданная на базе микропроцессора, обеспечивает устойчивое управление электрогенератором и контроль основных параметров турбодетандера.
С 1987г. в г. Гронингеме (Нидерланды) на ГРП ГТЭС мощностью 700 МВт эксплуатируется разработанная фирмой «ABB Turbinen» установка, предназначенная для выработки электроэнергии. Турбодетандер установки состоит их двух отсеков: первый отсек имеет 5, второй — 4 осевые ступени. Электрогенератор - асинхронный, мощностью 7,1 МВт.
Математическая модель термогазодинамического расчета проточной части многоступенчатого турбодетандера
Одной из основных систем турбодетандерных установок является система автоматического управления, обеспечивающая управление ЭТДА при совместном функционировании турбодетандерных агрегатов с системами ГРС и ГРП.
Современные ГРС и ГРП представляют собой автоматизированные или автоматические установки, обеспечивающие требуемые потребителям заданные параметры газовых потоков и работающие в непрерывном режиме (с периодическим осмотром). Эти системы поддерживают в определенных пределах давление газа и его температуру на выходе из установок редуцирования.
Использование турбодетандерных установок на ГРС и ГРП с целью выработки электроэнергии приводит к необходимости введения дополнительной системы автоматического регулирования (САР). Если рассматривать включение электрогенераторов утилизационных установок в энергосеть большой мощности, то необходимо поддержание постоянной частоты вращения ротора генератора для выполнения условий синхронизации его работы с сетью. Процесс синхронизации происходит на режиме холостого хода электрогенератора.
Точность поддержания частоты вращения обычно лежит в пределах ±1,0% и определяется точностью поддержания частоты тока равной ±0,5%. Создание системы автоматического регулирования частоты вращения генератора базируется на исследовании динамических характеристик объекта регулирования. В объект регулирования включается турбодетандерный агрегат и оборудование ГРС или ГРП [88].
Модель объекта регулирования и принципиальная схема САР Для определенности рассмотрим ГРП с турбодетандерным агрегатом ЭТДА-1500, размещенным между подводящим и отводящим газопроводами, которые включают оборудование для очистки газа и агрегаты для редуцирования и автоматического поддержания давления газа. Для очистки газа часто применяются масляные или циклонные сепараторы, а для регулирования давления газа - регуляторы типа РД-100-64, РД-150-64 или РДУ-100.
В состав объекта регулирования включены (рис. 2.1): сепаратор С, подводящая газовая магистраль А, отводящая газовая магистраль В, ЭТДА-1500 с турбодетандером Т и электрогенератором ЭГ, а также - газопроводы, соединяющие магистрали А и В. РД-150-64
Входной сепаратор С соответствует четырем масляным пылеуловителям, применяемым на ГРП. Подводящий газопровод А заканчивается у регуляторов давления газа РД-150-64. Выходной газопровод В соответствует двум отводящим магистралям, реально присутствующим на ГРП. Число редуцирующих ниток между газопроводами А и В с регуляторами давления определяется по заданной производительности. В одной из ниток давление газа снижается до значения, необходимого для работы турбодетандера Т.
Цифры и буквы в расчетных точках схемы обозначают входные и выходные сечения газовых магистралей (ГЕ), как динамических звеньев, на которые разбиты газовые магистрали. Так, например, т.З является началом газовой емкости ГЕз,о; этой точке отвечают параметры газа непосредственно после регулирующего органа регулятора РД-150-64, установленного перед турбодетандером. Заканчивается ГЕ3,о в т.О непосредственно перед сопловым аппаратом первой ступени турбодетандера. Аналогично т.Г и т.4
Основными из определяющих параметров объекта являются отклонения параметров газа на входе в ГРП, то есть отклонения давления рг и температуры Тг, отклонение расхода газа, идущего к потребителю, Gn (в т.6), а - также отклонение мощности генератора Np из-за изменения нагрузки питаемой сети.
В число определяющих регулируемых параметров целесообразно включить: частоту вращения ротора турбодетандера со, давление газа, идущего к потребителю —рп, и температуру газа после турбодетандера Т2.
Поддержание постоянного значения со осуществляется для выполнения условий синхронизации работы генератора с сетью. Стабилизация величины давления газа, идущего к потребителю рп, является по существу выполнением одного из основных требований, предъявляемых к автоматике ГРП.
Также независимо от работы агрегата в ГРП может поддерживаться температура газа перед регуляторами давления за счет тепла от постороннего источника. Этот же способ практикуется для поддержания температуры газа за турбодетандером Г?.
Таким образом, к системам автоматической стабилизации частоты вращения со и давления газа, рп в общем случае еще добавляются две системы автоматической стабилизации: поддержания температур газа перед регуляторами давления газа и поддержание давления газа на выходе из ЭТДА,
В представленной на рис. 2.1 схеме САР текущее значение со измеряется чувствительным элементом ЧЭЫ регулятора со, в котором оно сравнивается с заданным значением. Сигнал рассогласования подается в электронный усилитель-преобразователь УП. Выходной сигнал УП — напряжение тока — поступает в сервомотор СМ, которым является электрический двигатель постоянного или переменного тока. Вал сервомотора механически жестко связан с винтом настройки редуктора типа ВР-1, служащего для изменения давления настройки регулятора РД-150-64, включенного в систему регулирования ЭТДА.
Регулирующим органом регулятора со служит клапан регулятора РД-150-64, который на режиме холостого хода ЭТДА-1500 работает в следящем режиме (то есть при переменном выходном давлении газа). Уравнения динамики звеньев САР С целью упрощения уравнения динамики звеньев САР записываются в линеаризованном виде. Абсолютное отклонение Ax{t) какого-либо параметра x(t), где t является временем переходного процесса, относится к расчетному (заданному) значению данного параметра хи в дальнейшем обозначается _/ ч Ax(i) какх(/; = — . х Все газовые емкости (ГЕ) рассматриваются как звенья с сосредоточенными параметрами. В таком приближении исходными соотношениями при определении динамики ГЕ являются линеаризованные зависимости для уравнений сохранения вещества и расхода газа. Так изменение по времени массы газа Q в некоторой газовой емкости определяется разностью массовых расходов втекающего газа Ga и истекающего газа Ge. Или в малых отклонениях
Технологическая схема энергосберегающего турбодетандерного комплекса на основе 2-ух турбодетандерных агрегатов
Энергосберегающая турбодетандерная установка (ЭТДУ) представляет собой определенный на основе турбодетандерного агрегата комплеіст оборудования, объединенного между собой совокупностью трубопроводов її электропроводов. Комплект оборудования ЭТДУ включает в себя: энергосберегающий турбодетандерный агрегат (ЭТДАЛ состоящий из объединенных валопроводом турбодетандера и генератора с системами: маслоснабжения, автоматического регулирования; маслоохлаждения, автоматизированного управления; теплообменный аппарат; трубопроводную арматуру; трубопроводы: газопроводы, маслопроводы; комплектно-распределительные устройства: комплектное распределительное устройства - КРУ 10,5 или 6,3 кВ, а таюісе распределительное устройство собственных нужд - РУСН 0,4 кВ; Оборудование ЭТДА формируется в блоки заводской готовности: блок детандер-генераторный; блоки системы автоматического регулирования: блок стопроно-дозирующий и блок байпасный; блок маслоснабжения; блок мослоохлаждения; - ПТКАСУТП.
После определения технических параметров основного технологического оборудования ЭТДУ - турбодетандерного агрегата, характеристики которого соответствуют данным ГРС и ГРП, теплообменного аппарата и всего комплектующего оборудования следующим этапом при их создании является оценка их экономической эффективности [92], [93].
Исходными данными для проведения технико-экономических расчетов по оценке экономической эффективности ЭТДУ являются:
1. Инвестиционные вложения: а) стоимость изготовления и поставки оборудования; б) стоимость строительно-монтажных работ: подготовки рабочей площадки, устройства фундаментов и других конструкций под оборудование (основное, вспомогательное, газопроводы), монтажа системы подводящих и отводящих газопроводов, возведения здания (укрытия) для размещения технологического оборудования, монтажа технологического оборудования, систем освещения, отопления, других коммуникаций, строительства линии электропередач, строительства теплопровода, благоустройства. в) стоимость проектно-изыскательских работ, комплекса шеф монтажных, пусконаладочных работ, авторского сопровождения реализации проекта проекта, непредвиденных расходов и т.д. 2. Объем производства электроэнергии.
Объем вырабатываемой ЭТДА электроэнергии (Э, кВт-ч) определяется исходя из установленной мощности турбодетандерного агрегата (N, кВт) и принятого времени его эксплуатации (t, ч): Э = N х t. (2.85) 3. Доходная часть. Доходная часть определяется доходом от реализации произведенной ЭТДУ электроэнергии при ее продаже на сторону или от условной реализации электроэнергии по стоимости, равной стоимости электроэнергии, приобретаемой у энергоснабжающей организации в объеме, равному объему производимой ЭТДУ электроэнергии, - при потреблении вырабатываемой ЭТДУ электроэнергии на собственные нужды предприятия.
Часть вырабатываемой ЭТДУ электроэнергии расходуется на энергообеспечение собственных потребителей (электроприводных - насосов, задвижек, клапанов; систем - АСУ, вентиляции, освещения).
Величина потребляемой на собственные нужды турбодетандерной установкой электроэнергии (Эсн, кВт-ч) определяется исходя из средней мощности собственных потребителей (NCH, кВт) и принятого времени ее эксплуатации (/, ч): 3cH = NCHxt. (2.86)
Как отмечалось выше, в турбодетандерной установке для обеспечения необходимого уровня температуры газа на выходе из ЭТДА осуществляется подогрев газа на входе в турбодетандер. Проведенные расчеты, подтвержденные результатами эксплуатации турбодетандерных установок, показывают, что удельный расход тепловой энергии, необходимый для подогрева газа, составляет около 860 ккал на каждый кВт-ч производимой турбодетандерной установкой электроэнергии.
При использовании в системе подогрева газа на входе в турбодетандер подогревателей газа (например, в условиях ГРС) расход топливного газа рассчитывается по формуле: Gm г, - расход топливного газа, кг/с; q - удельный расход тепла на подогрев газа, кДж/кг, определяемый как разница величин энтальпии газа после подогревателя и энтальпии газа до подогревателя; Gm — массовый расход газа через турбодетандер, кг/с; Qpu - низшая теплотворная способность газа, кДж/кг; ц — КПД подогревателя газа. Основной статьей затрат на материалы, используемые в процессе эксплуатации установки, является расход машинного масла. Основными налоговыми отчислениями являются: налог на прибыль организаций, единый социальный налог, налог на имущество организаций и налог на добавленную стоимость.
Основным показателем оценки возврата инвестируемого капитала, определяемого при исследовании экономической эффективности ЭТДУ, является «чистый денежный поток» (net cash flow), который определяется как разность между всеми поступлениями денежных средств, имеющих место быть в процессе реализации инвестиционного проекта, и всеми видами их расходования. Чистый денежный поток рассчитывается как разность между доходами от реализации (условной реализации) электроэнергии и суммой расходов на ее производство и реализацию (условную реализацию) за исключением амортизационных отчислений.
Основными показателями экономической эффективности ЭТДУ являются:
Чистый приведенный доход (ЧПД, Net Present Value), представляющий собой разность между приведенными к настоящей стоимости величинами: суммой чистого денежного потока и суммой инвестиционных затрат, определяемый по формуле [94]:
Результаты исследования параметров ЭТДА по двум вариантам технологических схем ТЭУК для ГРП водогрейной котельной
В качестве второго примера реализации энергосберегающей турбодетандерной технологии рассмотрим проект создания на ГРП тепловой электростанции энергокомплекса на основе двух энергосберегающих турбодетандерных агрегатов мощностью по 8000 кВт каждый - ЭТДА-8000.
Газоснабжение электростанции осуществляется с помощью двух одинаковых ГРП. Исходные данные каждого ГРП представлены в табл. 5.1.
Природный газ с давлением Рь расходом Q из входного коллектора, пройдя узел очистки, поступает в газоподогреватель (теплообменный аппарат). Затем из газоподогревателя (теплообменного аппарата) газ поступает через отключающую задвижку, стопорный клапан (СК) и дозирующий клапан (ДК) в турбодетандер, где, расширяясь до давления Р2, совершает работу, направленную на привод генератора. Выработанная генератором электроэнергия направляется в электрическую сеть.
После расширения в турбодетандере газ через отключающую задвижку направляется в выходной коллектор ГРП.
Для обеспечения бесперебойной подачи газа потребителю ЭТДА снабжен байпасной линией, в комплект поставки которой входят клапан защиты (КЗ) и регулятор давления газа (РДГ).
В случае аварийной остановки агрегата срабатывает стопорный клапан (СК), который перекрывает подачу газа на ЭТДА. Одновременно с закрытием СК открывается быстродействующий клапан защиты КЗ (время закрытия СК и открытия КЗ составляет 0,3 сек.) и газ в обход ЭТДА поступает в выходной коллектор ГРП.
Давление в газопроводе после ЭТДА в это время обеспечивается работой РДГ. В случае невозможности продолжения дальнейшей работы ЭТДА начинают автоматически открываться редуцирующие клапаны ГРП и постепенно закрываться РДГ. После полного закрытия клапанов РДГ и КЗ ГРП переходит на штатную работу. В технологической схеме ЭТДА предусматривается система продувочных газопроводов, патрубки для отбора проб газа и патрубки для подачи сжатого воздуха с целью освобождения газопроводов от газа на период ремонта. 1 - Блок редуцирования ГРП ТЭЦ (ГРЭС), где: 1а - регулятор с электроприводом; 16 - задвижка электроприводная; 2 - теплообменник «пар-газ»; 3 - емкость для конденсата; 4 - блок стопорно-дозирующий, где: 4а - клапан пневматический; 46 -регулятор гидравлический (пневматический); 5 - блок детандер-генераторный; 6 - блок маслоснабжения; 7 - блок маслоохлаждения, где: 7а - теплообменник; 8 - блок байпасный; 9 - насос; 10 - расходомерный узел; ТД - турбодетандер; Г - генератор; Е -емкость.
В конструкции ЭТДА-8000 применен осевой шестиступенчатый турбодетандер. Разрез турбодетандера ЭТДА-8000 приведен на рис. 5.9.
В качестве турбогенератора в ЭТДА-8000 используется двухполюсный синхронный турбогенератор типа ГТГ-8,0 трехфазного тока 50 Гц с бесщеточной системой возбуждения с разомкнутым (замкнутым) циклом вентиляции. Вид климатического исполнения УХЛЗ по ГОСТ 15150. Завод-изготовитель - ООО «Электротяжмаш-Привод», г. Лысьва, Пермский край.
Охлаждение масла смазки турбодетандера и генератора осуществляется выходящим из турбодетандера газом в теплообменнике типа «труба в трубе», разработанного при участии автора для этой схемы. Подогрев газа на входе в каждый ЭТДА осуществляется насыщенным паром (t = 320 С) в двух теплообменных аппаратах типа «газ-пар», специально разработанных для систем утилизации. Теплообменник подобного типа был применен в созданном головном образце типоразмерного ряда ЭТДА - в агрегате ЭТДА-1500. Конструктивно теплообменник, разработанный с использованием алгоритма расчета (п. 2.4 настоящей работы) представляет собой вертикально расположенный аппарат высотой 2,95 м, диаметром 1,076 м, выполненный из гладких, витых, медных труб. В трубах проходит пар, в межтрубном пространстве, в противотоке с паром, - природный газ.
Программно-технический комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом ЭТДА-8000 представляет собой двухуровневую структуру, верхний уровень которой состоит из автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов-технологов станции, АРМ инженера АСУ ТП, устройства коммутации информационных сетей (шлюзовая станция) и средств архивирования и представления информации. На нижнем (агрегатном) уровне ПТК АСУ ТП находятся локальные программно-технические комплексы (ЛПТК) для каждого технологического агрегата (группы технологического оборудования). Локальные ПТК обеспечивают автономное функционирование ЭТДА-8000 и реализуют команды управления оператора, получаемые от верхнего уровня системы.
