Диссертация (Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности), страница 4

Процесс расширения в T-s диаграмме представлен нарисунке 1.3.Hв,H0где Hв – действительный перепад энтальпии на ступень, Дж/кг; t s (1.1)H0 – располагаемый перепад энтальпии на ступень, Дж/кг.Рисунок 1.3 – Диаграмма рабочего процесса в ДГА с подогревом газа и без1В международной номенклатуре турбинных КПД фигурирует понятие ηt-s, или total-to-static efficiency. Вроссийской номенклатуре это эквивалентно так называемому внутреннему относительному КПД ηoi [40]. В работедля унификации принято обозначение международной системы.16Рассмотрим процесс расширения в турбине ДГА с перепадом давления с 1,9 до 0,6 МПаи температурой газа на входе +15°С, рисунок 1.4. Как видно по диаграмме, только при значениивнутреннего КПД турбины ηt-s=0,1 температура в конце процесса расширения превышает +5°С.Рисунок 1.4 – Диаграмма рабочего процесса в ДГА с перепадом давления 1,9 – 0,6 МПа итемпературой на входе +15°СВ результате снижения температуры до отрицательных значений (T2<0°С) происходиткристаллизации воды, растворенной в газе.

Лед может приводить к поломке клапанов и другойарматуры газораспределительных станций, загромождать проходные сечения трубопроводоввплоть до полного их закрытия. Наконец, обледенение чрезвычайно опасно для вращающихся свысокой скоростью турбомашин ввиду возможности их разбалансировки, задеваниявращающихся частей об лед, разрушения уплотнений, эрозионного эффекта.Для исключения получения отрицательных температур в конце процесса расширения газнеобходимо подогревать.

Но подогрев требует дополнительных затрат энергии. Возможнореализация схем с простым подогревом газа за счет сжигания органического топлива. В этом17случае формально абсолютный электрический КПД ηэ, вычисляемый как отношениевыработанной электрической энергии к подведенной теплоте, формула (1.2), будет высок,находясьвдиапазоне50…70%,нотакаякомпоновкаДГАнеможетсчитатьсяэнергосберегающей, так как требует дополнительно сжигания топлива.ЭлектрическийподогревзасчетвырабатываемойДГАмощноститакженецелесообразен, требуя мощности большей, чем ДГА вырабатывает.

Для пояснения обратимсяк рисунку 1.3. Температуры газа на входе в ГРС в зависимости от сезона составляют от +2 до+15 °С. Температура в конце процесса расширения будет зависеть от срабатываемого перепада,составляя от -40 до -70°С. С другой стороны, температура на выходе должна составлять неменее +5 °С, в противном случае велика опасность образования льда в системе за ДГА.Температура на выходе из ДГА, таким образом, должна быть примерно равна температуре навходе.

Для этого потребуется подведение теплоты, эквивалентной располагаемой работе ДГА.А с учетом того, что внутренний КПД всегда меньше единицы, полезная работа всегда будетменьше работы располагаемой, а, следовательно, генерируемая мощность будет меньшеподведенной теплоты, в данном случае, подведенной с помощью электрической энергии.Предпочтительным вариантом становится использование теплоты технологическихпроцессов или сбросной теплоты энергетических установок традиционной и возобновляемойэнергетики. Выбор источника теплоты, как показывает практика, непосредственно связан смощностью установки.Для ДГА большой мощности целесообразно применение теплоты технологическихпроцессов традиционной энергетики (ТЭЦ, мини-ТЭЦ, системы тригенерации) или сброснойтеплоты производственных процессов.

Описаны также решения с внедрением турбодетандера втехнологический процесс газокомпрессорной станции, а также с использованием низкихтемператур газа на выходе из ДГА для работы промышленных холодильных установок.В Нидерландах в 1991 г. на ГРС компании The Amsterdam Utility Company былустановлен ДГА мощностью 4 МВт, работающий на перепаде давления с 40 до 8 атм.

[80].Машина работала с большими расходами газа в диапазоне 25…110 тыс. нм3/ч. Для подогревагаза использовалась уходящая теплота мини-ТЭЦ с 6 агрегатами. В течение 1992г. ДГАпроизвел 12 022 мВт·ч электрической энергии, а мини-ТЭЦ – 8 421 МВт·ч. Система суммарносгенерировала 20 443 МВТ·чэнергии, суммарные затраты топлива в единицах энергиисоставили 27 861 МВт·ч, таким образом абсолютный электрический КПД ηэ (определениеабсолютного эффективного КПД согласно [40], ф-ла 1.2) установки мини-ТЭЦ с ДГА составил73%.

Срок окупаемости установки был оценен в 7,6 лет.18э Nэ,Q(1.2)где Nэ – электрическая мощность, вырабатываемая установкой, Вт; Q– тепловаямощность, подводимая в цикл установки, Вт.На металлургическом комбинате компании Corus в Нидерладах с 1994 года действуетДГА мощностью 2 МВт [80]. Используется перепад давления с 63 до 8 атмосфер при расходегаза 26 тыс. нм3/ч. В качестве источника теплоты для подогрева выступает вода, охлаждающаяпрокатный стан и имеющая температуру 70°С.

Срок окупаемости установки был оценен в 4.4года.Японская компания Osaka Gas в 1994 г. установила ДГА на ГРС, соседствующей сцентральной станцией отопления/охлаждения [80]. ДГА работал в двух режимах: зимнем илетнем. В зимнем режиме станция производила тепловую энергию для потребителей, ауходящие газы были использованы для подогрева газа в ДГА. В летнем режиме газ,приобретающий низкую температуру в результате процесса расширения, использовался дляохлажденияводы,которойцентральнаястанцияснабжалапотребителейвцеляхкондиционирования.

Максимальный расчетный расход газа составлял 53 тыс. нм3/ч. Срококупаемости проекта был оценен в 4,6 лет, при этом, производство холода не было учтено, чтонесколько увеличило рассчитанный срок окупаемости по сравнению с реальным.Российская компания АО «Криокор» ввела в эксплуатацию 2 агрегата ДГА-5000мощность 5МВт каждый на ТЭЦ-21 АО «МОСЭНЕРГО», рисунок 1.5.Рисунок 1.5 – ДГА АО «Криокор» [8]Устройства построены на осевой двухступенчатой турбине, соединенной через редукторс синхронным генератором.

Для подогрева газа используется сетевая вода, минимальнаятемпература газа на входе в ДГА составляет 70°С. ДГА рассчитан на давление в диапазоне190,5…1,2 МПа и выходное давление 0,1 МПа. В 2007г. аналогичный энергосберегающийкомплекс был установлен на ТЭЦ-23.Работы Ю.Л. Гуськова и Е.В. Жигулиной [10, 14] описывают различные тепловые схемывнедрения ДГА большой мощности на ТЭЦ. Варианты с подогревом посредством обратнойсетевойводыилициркуляционнойводыстанциипризнаютсяавтораминаиболеецелесообразными.Возможным применением ДГА в газотранспортной системе является использованиенизкой температуры газа в конце процесса расширения для создания энергохолодильныхкомплексов или сжижения газа на ГРС с производительностью сжиженного газа до 0,42 кг/с[21].При использовании ДГА для утилизации давления топливного газа газокомпрессорныхстанций возможна реализация схемы, рисунок 1.6, с подогревом газа после ДГА до достиженияположительных температур газа за счет охлаждения транспортируемого газа послецентробежного нагнетателя [7].

При реализации подобной схемы будет использовано всего2,5% расхода транспортируемого природного газа, т.е. выигрыш в электрической энергии напривод аппаратов воздушного охлаждения будет незначительным, однако подогрев топливногогаза после ДГА обеспечивается в полной мере без дополнительно сжигания топлива, что делаеттакую схему интересной.Рисунок 1.6 – Схема использования ДГА для утилизации давления топливного газа на КС [7]20Для ДГА малых мощностей интерес представляют источники теплоты на основенетрадиционных и возобновляемых источников энергии, что хорошо согласуется сэнергосберегающей концепцией таких установок.В последнее время все большее распространение получает схема интеграции ДГА стопливными элементами.

В таких гибридных установках уходящие газы топливного элементаслужат для подогрева газа перед ДГА [62, 71, 72, 108].Описанная в работе С. Howard [72] установка состоит из топливного элементамощностью 300 кВт и ДГА максимальной мощностью 200 кВт. Схема установки приведена нарисунке 1.7. Газ высокого давления направляется в подогреватель для повышения температурыи далее направляется параллельно по двум веткам: на ДГА и редукционный клапан. ДГАвырабатывает электрическую энергию.