Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке - файл n1.doc

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке
скачать (35174.8 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.doc17611kb.13.09.2004 09:14скачать
n2.docскачать
n3.doc68kb.13.09.2004 09:14скачать
n4.doc118kb.13.09.2004 09:14скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
IIІ секция
КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ ГАЗОВОЙ И НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 621.643.
КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА ДЛЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Билека Б.Д.,* д-р техн.наук, вед.научн.сотр.; Васильев Е.П.,* канд.техн.наук, ст.научн.сотр.; Избаш В.И.,** канд.техн.наук, зам.начальника Управления; Коломеев В.Н.,** первый заместитель генерального директора

*ИТТФ НАН Украины, г. Киев;

**ДК «Укртрансгаз», г. Киев, Украина
Одним из направлений энергосбережения в транспорте газа по магистральным газопроводам является утилизация теплоты отработанных газов приводных газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях (КС). Температура уходящих газов основных типов газотурбинных двигателей, установленных на КС, составляет 280-550 оС, а потенциальная тепловая мощность их для одной КС – 150-200 МВт. Поэтому энергетический потенциал утилизации теплоты этих газов довольно высок. По расчетам при использовании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (н-пентане) при утилизации теплоты отработанных газов для выработки электроэнергии в зависимости от вида базовой энергоустановки суммарная мощность комплексной энергоустановки может быть увеличена на 3…24 % [1]. Выработанная электроэнергия может использоваться для собственных нужд КС, а ее излишек продаваться во внешнюю энергосеть.

На базе сложившейся инфраструктуры КС использование дополнительно вырабатываемой за счет теплоутилизации электроэнергии и продажа ее во внешнюю сеть зачастую представляет значительную организационную и технологическую трудность. Одной из альтернатив этому пути является утилизации сбросной теплоты отработанных газов ГТУ не для выработки электроэнергии, а для других целей – например, охлаждения компримированного газа. Показано, что внедрение интенсивных систем охлаждения компримированного газа в транспорте газа позволяет увеличить пропускную способность газопроводов до 5…8 % и снизить удельные приведенные затраты на 2…3 % [2]. Решить эту задачу можно с помощью теплоиспользующих холодильных машин. При этом с помощью холодильных машин охладить компримируемый газ непосредственно после ГПА при его температуре, значительно превышающую температуру окружающей среды, термодинамически значительно менее эффективно, чем при его охлаждении холодильными машинами после аппаратов воздушного охлаждения (АВО). В этом случае компримируемый газ можно охладить до температуры ниже температуры окружающего воздуха, что невозможно сделать с использованием только АВО.

Для охлаждения компримированного газа можно использовать холодильные машины различного типа: с дросселированием предварительно сжатого компрессором и охлажденного в промежуточном охладителе воздуха; воздушной холодильной машины с детандером; турбокомпрессорной холодильной машины; пароэжекторной холодильной машины. Необходимая для этого механическая и электрическая энергия вырабатывается теплоутилизирующей энергоустановкой, использующей теплоту отработанных газов приводных ГТУ и непосредственно сопряженная с холодильной машиной.

Принципиальным при этом является выбор вещества для использования его в качестве рабочего тела в паросиловых и холодильныых циклах теплоутилизирующих установок. Уровень температур отработанных газов рассматриваемых приводных ГТУ позволяет в качестве рабочего тела использовать наиболее дешевое вещество – воду. Но специфические особенности КС: удаленность от водных источников, ограниченность территории и рабочего персонала требуют максимальной простоты технологических схем. Вода, которая замерзает при отрицательных температурах, усложняет условия эксплуатации таких систем. Поэтому по условиям эксплуатации КС более пригодными для использования в качестве рабочих тел являются низкокипящие вещества с температурой застывания ниже (-30 о С) (табл. 1). Использование таких веществ в качестве рабочих тел в совокупности с применением воздушного охлаждения конденсаторов и других охлаждающих устройств позволяет перейти к практически безводным технологиям работы и эксплуатации КС. Вместе с тем вследствие существенного увеличения теплообменных поверхностей и расхода воздуха на охлаждение возрастает удельный расход мощности на привод вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. Вследствие термодинамических особенностей низкокипящих веществ вырастают удельные расходы мощности на привод питательных и конденсатных насосов.
Таблица 1 – Характеристики низкокипящих веществ, применяемых в качестве низкокипящих рабочих тел (НРТ)




п/п

НРТ

tвоспл, 0С,[4]

Pкр, ата

tкр, 0С

Р(tкип

=50с).

ата

Р(tконд

=400с).

ата

tmax цикла,

0С

Рmax цикла,

ата

1

Н-пентан (пентан) [5]

284

34,41

196,65

0,30

1,15

170

22,5

2

Н-бутан (бутан) [5]

431

37,47

151,93

1,25

3,70

130

26,0

3

Изобутан [5]

-

37,10

134,98

1,35

5,50

115

25,0

4

Пропан [5]

504

43,39

96,81

5,5

14,00

80

32,0

5

R-142 [6]

-

41,40

136,45

1,70

5,00

120

30,0

6

Метан

540

46,41

-82,6

-

-

-

-


Наиболее приемлемыми и перспективными низкокипящими веществами в качестве рабочих тел в теплоутилизирующих установках являются углеводороды низкокипящие рабочие тела (НРТ) (н-пентан, н-бутан, пропан). Исходя из уровня температур отработанных газов базовых ГТУ и имеющихся данных по термодинамическим свойствам различного вида углеводородов в рассматриваемых условиях наиболее эффективно применение в качестве низкокипящего рабочего тела н-пентана. Так, в частности, на канадской КС Golol Greek с 1999 г. работает теплоутилизирующая энергоустановка на н-пентане мощностью 7 МВт [3].

Кроме того, использование в качестве НРТ н-пентана эффективно и в обратном холодильном цикле, так как давления в конденсаторе и испарителе НРТ при принятых соответствующих температурах в них близки к атмосферному, что удешевляет и упрощает изготовление и эксплуатацию этих аппаратов.

В качестве альтернативных НРТ рассматривались и другие вещества: фреон R-142, изобутан, пропан. Для рассматриваемых условий применение их менее эффективно.

В связи с вышеизложенным было проведено исследование комбинированной теплоутилизирующей турбокомпрессорной энергохолодильной установки на н-пентане на базе приводной ГТУ типа ГТНР-10 номинальной мощностью 10 МВт. Выбор ГТУ этого типа в качестве базовой обусловлен тем, что, по соображениям пожароопасности, температура отработанных газов близка к допустимой температуре НРТ. При этом в качестве НРТ в рабочем контуре теплоутилизирующей ергоустановки используется н-пентан, а ГТУ имеет максимальный расход газов по сравнению с другими приводными двигателями этого типа.

Основные характеристики базовой энергоустановки – приводного газотурбинного двигателя ГПА, установленного на компрессорных станциях, представлены ВНИИПИТРАНСГАЗ Украины (табл. 2). Характеристики низкокипящих рабочих тел взяты из справочной литературы (табл. 1). Температура воздуха на входе в охлаждающие устройства принята равной максимальной температуре наиболее жарких месяцев года в центральной части Украины tв.вх. = 30 оС. Температура холодильного агента в испарителе принята равной t0 = 5 оС. После ГТНР-10 отработанные газы направляются в парогенератор теплоутилизирующей энергоустановки. Температура отработанных газов на выходе из теплоутилизирующей энергоустановки принята равной tг.ух. = 70 оС.
Таблица 2 – Основные характеристики приводного газотурбинного двигателя ГПА типа ГТНР-10


№ п/п

Параметр

Значение параметра

1

Номинальная мощность базовой энергоустановки N, МВт

10

2

Температура отработанных газов , tг оС

302

3

Расход отработанных газов , Gг, кг/с

84,6

4

Расход компримируемого газа Vг/Gг (млн.нм3/сут)/(кг/с)

18,3/150


При расчете теплоутилизирующей холодильной машины необходимо знать параметры компримированного газа. По данным ВНИИПИТРАНСГАЗа температура компримированного газа (метана) после АВО tкг = 40 оС, давление Ркг = 75 ата. Теплофизические свойства метана взяты из [7].

Расход низкокипящщего рабочего тела (н-пентана) в паросиловом цикле теплоутилизирующей энергоустановки находится из теплобалансовых соотношений для испарителя и подогревателя НРТ.

При расчете расхода НРТ в рабочем контуре теплоутилизирующей холодильной машины следует следить за тем, чтобы температура газовоздушной смеси на выходе из испарителя превышала температуру НРТ в испарителе, т.е. минимальную температуру цикла t1 = 170 оС.

Силовой частью холодильной установки является теплоутилизирующая энергоустановка на низкокипящем рабочем теле – н-пентане. Схема и цикл теплоутилизирующей энергоустановки показаны на рис. 1.

При расчете основных характеристистик энергоустановки прияты следующие значения основных параметров теплоутилизирующей энергоустановки: максимальная температура цикла t1=170о С, температура конденсата в конденсаторе t3=40о С, относительный внутренний кпд турбины на н-пентане 0iт = 0,72, механический кпд турбины м = 0,98, кпд генератора г = 0,96, кпд насоса н = 0,6. Значения параметров в характерных точках цикла находим из P-i диаграммы для н-пентана [5]. Удельные работы и кпд цикла рассчитываем по известным термодинамическим соотношениям [8].




















Рисунок 1 - Схема и цикл теплоутилизирующей энергоустановки на низкокипящем теле; г - парогенератор; т - паровая турбина; эг - электрогенератор; к - конденсатор; н - насос


Охлаждение конденсатора осуществляется с помощью аппаратов воздушного охлаждения типа АВЗ.

Тепловая мощность одного АВЗ составляет QАВЗ = 1413 кВт. Количество их – 14, суммарная мощность - 18456 кВт.

Результаты расчетов теплоутилизирующей энергоустановки на н-пентане, использующей теплоту отработанных газов базовой энергоустановки, установленной на компрессорной станции магистральных газопроводов, приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Основные характеристики теплоутилизирующей энергоустановки на н-пентане, работающей за счет использования теплоты отработанных газов приводного двигателя ГПА типа ГТНР-10


№ п/п

Параметр

Значение параметра




1

2

1

Расход НРТ , Gр кг/с

39,05

2

Тепловая мощность турбины брутто Nтб, кВт

3289

3

Механическая мощность энергоустановки нетто (Nтн)м, кВт

2629

4

Электрическая мощность энергоустановки нетто (Nтн)э , кВт

2524

5

Мощность насоса НРТ Nн, кВт

329

6

Мощность, затраченная на охлаждение конденсаторов Nохл, кВт

277

7

Тепловая мощность парогенератора Qг, кВт

20927

8

Тепловая мощность конденсатора Qк, кВт

18456

9

Термический кпд цикла t

0,208

10

Эффективный кпд энергоустановки (электрический) е.э

0,12

11

Мощность базовой энергоустановки N, МВт

10

12

Относительный прирост мощности комплексной энергоустановки  N, %

25,24

Продолжение таблицы 3




1

2

13

Количество установленных воздушных конденсаторов nуст , шт

14

14

Тип воздушного конденсатора

АВЗ

15

Масса серийного воздушного конденсатора Gк , т

49

16

Суммарная масса установленных воздушных конденсаторов Gк. , т

686

17

Габариты конденсатора (длина х ширина х высота), м

6х6х6

18

Суммарная площадь, занимаемая установленными конденсаторами S, м2

504


Как видно из таблицы, мощность теплоутилизирующей энергоустановки составляет порядка 25 % мощности приводного двигателя ГПА. Эту мощность можно затратить или на выработку электроэнергии для обеспечения собственных нужд КС, или на привод компрессоров холодильных машин для дополнительного охлаждения компримированного газа после его охлаждения существующими аппаратами воздушного охлаждения.

Прямой паросиловой цикл Ренкина в теплоутилизирующей энергоустановке осуществляется, как уже упоминалось, на низкокипящем рабочем теле н-пентане. Поэтому в обратном холодильном цикле теплоутилизирующей турбококмпрессорной холодильной машине также используется в качестве рабочего тела н-пентан. Схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 2 [9].
















































Рисунок 2 - Схема и цикл теплоиспользующей турбокомпрессорной холодильной машины
Расчет холодильной машины ведем с использованием P-i диаграммы для н-пентана [5].

Принимаем т = к = 0,72 [9], м = 0,98, г = 0,96.

Таким образом схема теплоутилизирующей холодильной установки состоит из двух частей: из уже рассчитанной схемы теплоутилизирующей энергоустановки и подлежащей расчету схемы холодильной установки. При этом мощность теплоутилизирующей энергоустановки на валу силовой турбины (Nтн)м, передаваемая компрессору, должна быть уменьшена на величину затраты мощности на охлаждение конденсата н-пентана, циркулирующего в холодильном контуре в количестве . Основные результаты расчетов турбокомпрессорной холодильной машины приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Основные характеристики теплоутилизирующей турбокомпрессорной холодильной машины на н-пентане для охлаждения компримированного газа на компрессорных станциях


№ п/п

Параметр

Значение параметра

1

Механическая мощность энергоустановки нетто (Nтн)м , кВт

2629

2

Затрата мощности на охлаждение конденсаторов Nохл , кВт

199

3

Мощность, затраченная на привод компрессора Nтн , кВт

2430

4

Расход НРТ в холодильном контуре Gнрт(о) , кг/с

32,1

5

Тепловая мощность конденсаторов холодильного контура Qк, кВт

12238

6

Холодильная мощность машины Qо, кВт

9811

7

Действительный холодильный коэффициент машины д

4,037

8

Действительный коэффициент теплоиспользования д

0,469

9

Расход компримированного газа Gкг, кг/с

150

10

Возможная глубина охлаждения компримированного газа tкг , оС

24,9

11

Тип серийного воздушного конденсатора

АВЗ

12

Количество установленных конденсаторов nк , шт

10

13

Габариты серийного конденсатора (длина х ширина х высота), м

6х6х6

14

Суммарная площадь, занимаемая конденсаторами S, м2

360

15

Масса серийного конденсатора Gк.с., т

49

16

Суммарная масса установленных конденсаторов Gк.с., т

490



ВЫВОДЫ

Результаты исследований показали, что теплоутилизирующие энергоустановки на н-пентане на базе использования теплоты отработанных газов приводной ГТУ типа ГТНР-10 можно успешно использовать как для энергетических целей, так и для дополнительного охлаждения компримированного газа. Расчеты показали, что при воздушном охлаждении конденсаторов электрическая мощность комбинированной энергоустановки возрастает до 12.52 МВт (на 25,2 %). Если же эту мощность использовать для дополнительного охлаждения компримированного газа с помощью турбокомпрессорной холодильной установки на н-пентане, то глубина охлаждения газа составит 24,9 оС, т.е. компримированный газ можно охладить примерно до 27о С – до температуры ниже принятой расчетной температуры атмосферного воздуха (30о С), что невозможно сделать с помощью других охлаждающих устройств. При этом требуется установка дополнительного оборудования: парогенератора тепловой мощностью порядка 21 МВт, блока турбина – компрессор на н-пентане тепловой мощностью брутто 3289 кВт, конденсатного насоса для н-пентана мощностью 329 кВт, 24 АВО с суммарно затрачиваемой мощностью на их привод 476 кВт, редукционной установки с расходом н-пентана 32,1 кг/с, системы обвязки трубопроводов и арматуры, системы КИП и автоматики, системы пожаробезопасности. Были рассчитаны для рассматриваемых условий также варианты теплоутилизирующих холодильных машин: с дросселированием воздуха, турбодетандерная и пароэжекторная. Глубина охлаждения компримированного газа в первом случае пренебрежимо мала, а во втором и третьем случаях примерно втрое ниже, чем при использовании турбокомспрессорной машины. Наиболее простой установкой является пароэжекторная теплоутилизирующая энергоустановка. Окончательный вариант тепловой схемы комбинированной энергоустановки может быть определен с учетом особенностей конкретной КС и экономической целесообразности создания такой установки.
SUMMARY
The results of investigations advanced application heat utilization power and turbo – compressor of fefrigerator sets on low – boiling propulsive masses on compressor stations of main gas pipelines for raise of efficiency and energy saving in transport of gas are worded. The types of such settings with use are construed as base actuating GTU GPU such as GTC – 10R. Is exhibited, that at the expense of the utilization of heat of spent gases base energy set it is possible additional , to develop up to 25% of electric power or to cool pumped over GPU gas on 25 0C.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Білека Б.Д., Васильєв Є.П., Клименко В.М., Коломєєв В.М., Избаш В.І., Костенко Д.А., Кривуца В.А. Комплексне використтання утилізаційних енергоустановок на КС для підвищення ефективності ГПА /Нафтова і газова промисловість. – 2001. - №4(197). – С. 40-43.

  2. Динков В.А., Грищенко А.И., Васильев Ю.Н., Мужиловский П.Н. Повышение эффективности использования газа на компрессорных станциях. М.:Недра. – 1981. – 296 с.

  3. Leibowittz H., Schochhet D.N. Generating Electric Power From Compressor Station Resudual Heat //Pipeline and Gas Journal. – 201, № 11. - P. 24-26.

  4. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и продуктам их сгорания. М.-Л.: Госэнергоиздат. – 1962. – 288 с.

  5. Клименко А.П., Петрушенко А.А., Васнецов Ю.А., Высоцкий Г.Ц. Термодинамические свойства легких углеводородов парафинового ряда. Киев: изд-во АН УССР. - 1960. - 96 с.

  6. Перельштейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. М.: Легкая и пищевая промышленность. -–1984. - 232 с.

  7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - 1971. – 720 с.

  8. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.:Энергия. - 1974. - 447с.

  9. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. С.-Петербург: «Судостроение». – 1994. – 504 с.


УДК 621.438
РЕЖИМЫ АВТОРОТАЦИИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ГТД

Дайнеко В.И., канд. техн. наук, доц.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации