Диссертация (Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности), страница 3

Текст диссертации изложен на 161странице, содержит 75 рисунков, 15 таблиц, список использованных литературных источников,включающий 111 наименований.БлагодарностиАвтор выражает огромную благодарность своей жене Наталье за моральную поддержкуи обсуждение результатов работы. Также хотелось бы выразить признательность родителям;коллегам Александру Себелеву, Евгению Смирнову и Александру Сайченко за ценные советыпо диссертационной работе; Сергею Александровичу Галаеву и Екатерине ЭдуардовнеКитаниной за рекомендации в методических вопросах в части численного моделирования.Николаю Алексеевичу Забелину за поддержку в организационных вопросах, ГеннадиюЛеонидовичу Ракову за интересные идеи.

Отдельно хочется поблагодарить командуСуперкомпьютеного центра «Политехнический» за оперативную техническую поддержку.101.АНАЛИЗПРОБЛЕМШИРОКОГОВНЕДРЕНИЯТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИЦелью настоящей главы является обоснование актуальности применения ДГА, а такжеустановление основных проблем, препятствующих активному развитию рынка ДГА и ихповсеместному внедрению на объектах газотранспортной системы и в технологическихпроцессах. Стоит заметить, что данная работа имеет выраженный акцент на ДГА малоймощности (до 100…500 кВт).

Эти мощностные диапазоны обладают спецификой, делающейоптимальные решения в них существенно отличными от диапазона больших мощностей.Для обоснования актуальности использования ДГА выполнена оценка мировогопотенциала утилизации давления газа на объектах газотранспортных систем, приводящаяся вразделе 1.1 текущей работы. Кроме суммарного потенциала газотранспортных систем в разныхстранах, также определено типичное распределение потенциалов генерируемой мощности погазораспределительным станциям, характерное для всех систем газораспределения.Общим вопросам повышения эффективности газотранспортных систем с помощьюгенерации электроэнергии на ДГА посвящены многие работы авторов как в России, так и зарубежом [7, 42, 47, 77, 81, 86, 89].

Несмотря на во всех смыслах высокий потенциал идеииспользования энергии сжатого газа, рынок ДГА на настоящий момент развит слабо.Результаты маркетинговых исследований энергетических агентств и исследования ученых вЕвропе и в США [86,108] свидетельствуют о том, что турбодетандеры на настоящий моментмогут реализовываться исключительно как демонстрационные проекты [52], в основном, сгосударственной или грантовой финансовой поддержкой. В целом, можно выделить несколькоосновных факторов, ограничивающих процесс дальнейшего развития и повсеместноговнедрения ДГА:1.Высокая стоимость установок ДГА, длинные периоды окупаемости, техническаясложность установок, необходимость разработки индивидуальных техническихрешений.2.Низкие температуры на выходе из ДГА, необходимость источника теплоты дляподогрева газа или установки, использующей холод после ДГА.3.Широкий диапазон параметров газа на входе/выходе объектов газотранспортнойсистемы, сложности в создании унифицированного мощностного ряда установок.4.Существенное изменение параметров газа (давления и, в особенности, расхода) втечение года на газораспределительных станциях (ГРС), что определяетпеременные режимы работы как основные для ДГА.5.Высокая загрязненность и эрозионная активность рабочего тела.11Для дальнейшего развития рынка ДГА малой мощности необходимо, во-первых,нахождение технологически реализуемого, термодинамически эффективного и экономическицелесообразного источника теплоты для подогрева газа, что чаще всего требует интеграцииДГА в более сложные системы, например, мини-ТЭЦ, системы тригенерации или системы наоснове возобновляемых источников энергии.

Текущая работа не посвящена углубленнойпроработке этих вопросов, анализ схемных решений в части применения различных источниковтеплоты приводятся во многих исследованиях, их краткий обзор приведен ниже в разделе 1.2.Далее, учитывая многообразие начальных параметров ГРС, необходима оценка наиболеераспространенных значений потенциала генерации. В сопоставлении с типовыми значениямпотребления электрической мощности на станциях может быть предварительно определенмощностной ряд ДГА.

Этому анализу посвящен раздел 1.3.С другой стороны, совершенно очевидно, что необходимо идти по пути снижениясложности установок и их стоимости, при этом повышая эксплуатационные показатели в частиэрозионной стойкости, снижения требований к качеству рабочего тела и устойчивой работы вшироком диапазоне режимов. Под устойчивостью работы понимается устойчивость режиматечения, определяющего надежное вибрационное состояние машины при глубоко частичныхрежимах работы, а также стабильность во времени параметров на входе и выходе установки.Последний момент становится важным, принимая во внимание установленные до и после ДГАрегуляторы давления ГРС, чувствительные к малейшим изменениям параметров газа.

Раздел 1.4посвящен определению конструктивного облика, отвечающего сформулированным вышетребованиям, как установки ДГА в целом, так и турбины в частности.1.1.Оценкапотенциалавыработкиэлектрическойэнергиинаобъектахгазотранспортной системы с помощью детандер-генераторных агрегатовНа настоящее время выполнено множество оценок потенциала давления сжатого газа наобъектах газотранспортной системы.

В данном разделе выполнен краткий обзор публикаций, вкоторых приводятся такие оценки.Потенциал выработки электрической энергии с помощью ДГА в США оценивается в21 ТВт·ч в год или 11% от суммарных затрат на транспорт газа [80].Простые оценки потенциала использования давления газа в Канаде, приведенные вработе C.Howard [72], дают не менее 172 МВт установленной электрической мощности ДГАили около 1,4 ТВтч в год, принимая время работы агрегатов 8 000 часов в год.

Более точныеоценки, выполненные для района Канады Province of Alberta [56], дают около 60 МВт12доступного для использования потенциала давления, при этом единичная мощность ДГА восновном не превышает 500 кВт.С 2009 года в Англии реализуется проект по созданию мини-ТЭЦ на биотопливе,работающих в связке с ДГА [101]. Каждая такая станция проектируется на 20 МВтэлектрической мощности, а оценки возможности тиражирования таких станций по всей Англиидают не менее 1 ГВт установленной электрической мощности при КПД около 70%.Обзор потенциала ДГА, работающих без включения в состав мини-ТЭЦ для Англиидает не менее 390 МВт электрической мощности, при этом, суммарное значение потенциала невключает станции, на которых потенциал генерации не превышает 100 кВт [57].Для региона Парана в Бразилии оценки потенциала утилизации давления газа на ГРС,выполненные специалистами Federal University of Paraná и Federal University of Rio Grande [98]показывают возможность выработки 0,6 МВт электрической энергии при использованиитурбодетандеров или по 2,4 МВт тепла и холода при использовании вихревых труб.Газотранспортная система Дании по оценкам Danish Gas Technology Centre [95] обладаетпотенциалом выработки 80 ГВт·ч электроэнергии при установленной мощности агрегатов от5 кВт до 1 МВт.Корейские ученые [111] оценивают электрическую мощность утилизации давления газав Южной Корее в пределах 100 – 200 МВт, цифра подвержена сезонным колебаниям расходагаза.По расчетам Egyptian German High Level Joint Committee for Renewable Energy, EnergyEfficiency and Environmental Protection [51], в Египте утилизация давления газа позволитполучить 92 МВт электрической мощности, или 800 ГВт·ч электрической энергии каждый год,при этом мощность единичных установок на объектах газотранспортной системы варьируется вдиапазоне от 70 кВт до 5,8 МВт.Оценки, выполненный газовыми компаниями Ирана [49], показывают для типовой ГРС ссуточным расходом 120 тыс.

м3 потенциал выработки 1,8 МВт или 6 000 МВт·ч в год. Грубаяэкстраполяция на суммарное потребление газа Ираном 70 млрд. м3 в год дает около 121 МВтустановленной электрической мощности или 405 ГВт·ч годовой выработки.В Пакистане с его небольшим потреблением газа около 45 млрд м3 в год [53],установленная мощность ДГА оценивается всего в 6,32 МВт [105]. Авторы принимали в учеттолько ГРС с потенциалом выработки электрической энергии не менее 140 кВт.В Бангладеш оценки, произведенные Bangladesh University of Engineering and Technology[90], показывают потенциал генерации электрической энергии от 150 до 500 кВт для скважин,после которых производится редуцирование газа от пластового давления до рабочего давленияподготовки газа к транспорту; и от 200 кВт до 5 МВт на газораспределительных станциях.13Оценка суммарного потенциала по стране автором статьи не производилась.

Однако, учитываяпотребление природного газа страной около 27 млрд. м3 [53] в год, потенциал в абсолютныхзначениях представляется небольшим.Как видно из приведенного обзора, тематика использования ВЭР считается актуальнойне только в газодобывающих странах, но также и в странах, производящих импорт природногогаза. На рисунке 1.2 приводится карта с отмеченными значениями потенциальнойэлектрической мощности, генерируемой на ДГА.

Нанесены значения из публикаций,перечисленных выше. При отсутствии данных для некоторых стран примерная оценкапотенциальной мощности выполнена автором.Рисунок 1.2 – Потенциал генерации электрической мощности на ДГА151.2.Подогрев газа перед ДГА, необходимость и возможные решенияПриродный газ на входе в ДГА имеет температуру близкую к температуре грунта,типичный диапазон температур +2…+15°С, большие значения соответствуют летним месяцам.В турбине происходит процесс расширения с выработкой полезной работы, энтальпия газаснижается, что приводит к снижению температуры до значений -40…-70°С. Падениетемпературы будет тем более значительным, чем выше КПД расширительной машины пополным параметрам ηt-s1, формула (1.1).