В стандартной постановке задачи газораспределительные станции (ГРС) используются для снижения давления магистрального потока газа и его последующего распределения с целью дальнейшей поставки конечному потребителю по газораспределительной сети. При такой, наиболее простой схеме, избыточная энергия магистрального потока газа расходуется на преодоление сопротивления дроссельных клапанов, что приводит к снижению давления газа до требуемой величины, но также приводит и к пустому растрачиванию значительного количества энергии потока газа.

На сегодняшний день уже существует достаточно простое, но в то же время эффективное и успевшее доказать свою надежность решение проблемы извлечения избыточной энергии магистрального потока - введение в эксплуатацию ГРС турбодетандеров. Рациональным вариантом для использования на ГРС при больших расходах газа являются турбодетандеры с односторонними, полуоткрытыми, радиально-осевыми рабочими колесами (рис. 1). [1, С.50]

Рис. 1 - Рабочее колесо турбодетандера

турбодетандерная установка магистральный газопровод

Наиболее простая и надежная схема подключения турбодетандера к существующим коммуникациям ГРС, опробованная на практике, представлена на схеме (рис. 2). [2, С. 62] Красным цветом (рис. 2) выделены линии, необходимые для внедрения турбодетандера. Подключение турбодетандера параллельно узлу редуцирования станции позволяет минимизировать затраты на строительно-монтажные работы, а также при высокой степени надежности обеспечить широкий диапазон регулирования расхода газа через турбодетандерный агрегат.

Рис. 2 - Технологическая схема ГРС с подключенным турбодетандером: 1 - турбодетандер; 2 - электрический генератор; 3 - установка подогрева газа

Использование полезной мощности турбодетандерной установки при ее внедрении в эксплуатацию таких производственных объектов как газораспределительные станции (ГРС) является одним из ключевых вопросов как с экономической, так и с технологической точек зрения.

К числу наиболее перспективных направлений реализации потенциала полезной мощности на валу турбодетандера относится получение сжиженного природного газа (СПГ) в условиях ГРС. Реализации таких проектов способствует не только большой объем накопленного опыта по использованию подобного рода установок для решения схожих задач, но и низкие температуры потока газа на выходе из турбодетандера (около 200К).

Так еще в советское время была разработана технология получения сжиженного природного газа на ГРС (при этом сжижается не весь природный газ, проходящий через ГРС, а только небольшая его доля; для сжижения фактически используется энергия расширения сжатого газа, поступающего на ГРС из магистрального газопровода). Однако уже на сегодняшний день существует несколько схем получения СПГ в малотоннажном объеме. Наиболее эффективными из них являются схемы с интегрированным детандером и флэш-циклом (Integrated methane expander and flash cycle). [3, P.30]

Предлагаемая схема получения СПГ в условиях ГРС полностью основана на выше обозначенном высокоэффективном методе (рис. 3).

Рис.3 - Принципиальная схема установки по получению СПГ: 1 - компрессор основного цикла; 2 - теплообменник типа холодильник основного цикла; 3 - турбодетандер основного цикла; 4 - компрессор цикла сжижения паровой фазы; 5 - теплообменник типа холодильник цикла сжижения паровой фазы; 6 - flash-теплообменник; 7 - конденсатосборник; 8 - конденсатосборник

Предварительно очищенный и осушенный природный газ, проходя через турбодетандер теряет часть энергии, в результате чего давление технологического потока снижается, а рабочее колесо турбодетандера получает вращательное движение, которое затем передается на вал турбодетандера, который в свою очередь подключен к электрогенератору, что позвояет вырабатывать значительное количество электроэнергии (для ГРС “Сокол” при среднем значении расхода газа эффективная мощность на валу турбодетандера составит 816 кВт, что позволит обеспечить выработку электроэнергии на установке в 659 кВт).

После турбодетандера поток газа разделяется на две части, одна из которых уходит к потребителю через существующие технологические линии ГРС, а другая идет на сжижение.

Так компрессор 1, теплообменник 2 и детандер 3 представляют собой составные части теплообменника с хладагентом, в роли которого выступает метан (CH₄).

Компрессор 4, теплообменник 5, flash-теплообменник 6, а также конденсатосборники 7 и 8 - являются оборудованием, обеспечивающим 100% сжижение всего отведенного на установку потока газа.

Схема теплообменной установки 9 позволяет эффективно использовать не только мощности теплообменника с хладагентом, но и низкие температуры паровой фазы в конденсатосборниках.

К преимуществам установки следует отнести:

· Сравнительно низкое количество горючего хладагента по сравнению с иными схемами, использующими метан в качестве хладагента;

· Процесс имеет высокую эффективность и требует относительно небольшого оборудования и размеров трубопроводов;

· Доступность метана, как хладагента, в отличие от азота, что позволяет снизить затраты на сооружение систем хранения и транспортировки хладагента;

· Хладагент и технологический поток имеют одинаковый качественный состав, что исключает перекрестное загрязнение двух потоков и их влияние на эффективность процесса эксплуатации установки.

Подключение мини-завода, построенного по предлагаемой схеме, к ГРС потребует также строительства линии дополнительной очистки газа, которую предлагается установить перед турбодетандерной установкой (рис.4) в виду того, что дополнительная очистка газа перед его дросселированием позволит избежать выпадения гидратов в корпусе турбодетандера и позволит сэкономить на его периодическом обслуживании.

Технологическое оборудование и линии мини-завода подключаются после турбодетандера (рис.3), в точке разделения потока газа на две части: поток газа на сжижение (к мини-заводу) и поток газа к потребителю (к технологическому оборудованию ГРС). Такой вариант подключения мини-завода позволяет наиболее полно использовать низкие температуры газа на выходе из турбодетандера.

Помимо основной технологической линии мини-завода по производству СПГ предполагается и строительство резервуарного парка (рис.4) для хранения готовой продукции (СПГ) и узла отпуска продукции в автоцистерны (рис.4).

Наличие дополнительных узлов очистки газа и резервуарного парка СПГ предполагает строительство факельной установки (рис.4), используемой для сжигания газа в случае продувки очистного оборудования или сброса газовой фазы из резервуаров СПГ в результате срабатывания предохранительных сбросовых клапанов.

Рис.4 - Принципиальная схема ГРС с подключенным турбодетандером и мини-заводом СПГ схемы “Integrated methane expander and flash cycle”

Представленная схема позволяет не только получать СПГ с средней производительностью 1,2 т/час в условиях ГРС “Сокол”, но и весьма эффективно использовать избыточную энергию магистрального потока. Так полезная мощность на валу турбодетандера на первом этапе преобразуется в электрическую энергию, что позволяет покрывать значительную часть потребности в электроэнергии мини-завода СПГ. Если установить подобную систему и на турбодетандер 3 (рис.3), то затраты на получение готовой продукции могут быть снижены в еще большей степени, что позволяет снизить себестоимость СПГ и увеличить значение чистой прибыли.

Использование полезной мощности на валу турбодетандера именно для получения электроэнергии с последующим ее использованием на нужды мини-завода СПГ, а не внедрение детандер-компрессорного агрегата, обусловлено несколькими факторами:

· Вариативность системы (возможность реализации электро-энергии в сети общего потребления);

· Отсутствие взаимозависимости мини-завода и турбодетандерной установки;

· Возможность реализации полезной мощности на валу турбодетандера 3 (рис.2), установленного в рамках холодильного цикла мини-завода СПГ.

Таким образом, представленная принципиальная схема сочетает в себе реализацию ресурсо - и энергосберегающих технологий, потенциал СПГ как топлива будущего, новейшие методы его получения, а также значительный экономический потенциал. Кроме того, подобные проекты обеспечивают научный и технический потенциал для будущих энергоэффективных проектов в сфере транспорта и хранения природного газа.

Список литературы

1. Давыдов А.Б. Расчет и конструирование турбодетандеров / А.Б. Давыдов, А.Ш. Кобулашвили, А.Н. Шерстюк. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.

2. Диких Б.А. Обзор современных конструкций турбодетандерных генераторов / Б.А. Диких, Б.М. Бояринов, А.А. Авлошенко. - СПб: ООО НТЦ МТТ, 2008. - 90 с.

3. Roberts M.J. Briton refrigeration cycles for small-scale LNG / Mark J. Roberts, Fei Chen, O?znur Saygi-Arslan // Gas Processing. - 2015. - 4 (1). - P.27-32.

Размещено на Allbest.ru