Способ подогрева природного газа перед турбодетандером

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Повышение тепловой экономичности электростанций и отдельных агрегатов достигается за счёт повышения начальных и снижения конечных параметров пара, применения промежуточного перегрева пара, регенеративного подогрева питательной воды, использования тепловых вторичных энергоресурсов, например, теплоты конденсации отработавшего в турбине пара [3, 4] и уходящих газов котлов [5, 6]. Использование вторичных энергоресурсов избыточного давления, в частности энергии транспортируемого по газопроводам природного газа является одним из методов генерации электроэнергии.

При существующей в России системе газоснабжения снижение давления газового потока производится обычно в двух ступенях. В первой из них (газораспределительные станции (ГРС)) давление газа снижается от 4,0…7,5 МПа до 1,0…1,5 МПа, во второй (газорегуляторные пункты (ГРП)) от 1,0…1,5 МПа до 0,1…0,3 МПа [9]. Применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА) вместо обычного дросселирования позволяет получать электроэнергию вследствие использования избыточного давления природного газа.

Дросселирование - это необратимый процесс протекания газа через местное сопротивление, сопровождающийся снижением давления газа без совершения им какой-либо полезной работы. Величина снижения давления зависит от состава и скорости движения газа, параметров его состояния и конфигурации трубопровода. После дросселирования удельный объем и скорость газа возрастают, а температура газа в зависимости от его состава и параметров начального состояния перед дросселированием может оставаться постоянной, или увеличиваться, или уменьшаться.

На Безымянской ТЭЦ филиала «Самарский» ПАО «Т Плюс» установлено девять энергетических котлов (5 котлов среднего давления и 4 котла высокого давления) и семь водогрейных котлов. Поддержание постоянного давления газа перед котлами на заданном уровне независимо от колебания давления газа в сети и изменения расхода газа, а также очистку газа от механических примесей и его учет осуществляют в газорегуляторном пункте.

Газ на ГРП поступает по газопроводу высокого давления 12 кгс/см2, а затем осуществляется двухступенчатое регулирование от 12 до 3,1-4 кгс/см2, далее с 3,1-4 до 0,73 кгс/см2. Часовая пропускная способность газопровода составляет 240000 м3/ч.

По условиям эксплуатации детандеров, газопроводов и запорно-регулирующей арматуры необходим предварительный подогрев газа перед детандером. Подогрев газа может осуществляться различными способами с применением как источников высокопотенциальной энергии (топливо), так и низкопотенциальных источников энергии [1]. В случае отсутствия подогрева природного газа перед турбодетандером, наряду с понижением его мощности, использование энергии сжатого природного газа в нем приводит к нежелательному для эксплуатации турбодетандера понижению температуры газа на выходе из него ниже «точки росы». При этом возникает конденсация паров тяжелых углеводородов, содержащихся в природном газе, образование жидких пробок, выпадение опасных смолообразных гидратов и другие нежелательные процессы в газопроводах.

Предлагается на Безымянской ТЭЦ для полезного использования избыточного давления природного газа установить два турбодетандера типа ЭТДА-2500, а подогрев природного газа перед турбодетандерами осуществлять уходящими продуктами сгорания энергетического котла БКЗ-220-100 в поверхностном теплообменнике. Принципиальная схема детандер-генераторной установки представлена на рис. 1. Природный газ из магистрального газопровода, минуя ГРП 4, направляется в теплообменник 3, в котором подогревается до требуемой температуры уходящими продуктами сгорания энергетического котла. Подогретый газ разделяется на два потока и затем поступает в турбодетандеры 1, в которых газ расширяется до давления p2 и совершается механическая работа, затрачиваемая на привод электрогенераторов 5. Объединенные после детандеров потоки природного газа направляются к горелкам котлов.

Рис. 1. Схема детандер-генераторной установки: 1 - турбодетандер; 2 - котлоагрегат; 3 - подогреватель природного газа; 4 - газорегуляторный пункт; 5 - электрогенератор

В трубчатом газоподогревателе природный газ движется внутри стальных труб размером dнЧS = 40Ч1,5 мм в количестве Gг = 25,86 кг/с. Подогрев газа осуществляется от 5 до 90С.

Технические характеристики турбодетандера типа ЭТДА-2500: расход природного газа через турбодетандер Gг = 67500 м3/ч (12,93 кг/с); давление газа на входе в турбодетандер pвх= 12 кгс/см2; давление газа на выходе из турбодетандера pвых= 0,73 кгс/см2; температура газа на входе в турбодетандер tг.тд1= 90С; температура газа на выходе из турбодетандера tг.тд2= 4С.

Исходные данные для расчета площади поверхности нагрева подогревателя природного газа: количество турбодетандеров типа ЭТДА-2500 nтд= 2; температура газа на входе в теплообменник tг0= 5С; температура уходящих дымовых газов на входе в теплообменник= 150С; температура уходящих дымовых газов на выходе из теплообменника = 60С; состав газообразного топлива Уренгойского месторождения; коэффициент избытка воздуха в уходящих газах бух=1,329; расход топлива на котел В=14615 м3/ч [6].

Мощность одного турбодетандера

(1)

где hг.тд1, hг.тд2 - энтальпия газа на входе в детандер и на выходе из него соответственно, кДж/кг;

- механический КПД и КПДРазмещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

генератора ДГА соответственно.

Площадь теплообменника находится по формуле:

(2)

где Q - теплопроизводительность теплообменника, Вт; k - коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к природному газу, Вт/(м2·К); ?tср - средний температурный напор, С.

Теплопроизводительность подогревателя природного газа:

(3)

пар тепловой электростанция генераторный

где Gг - массовый расход природного газа, кг/с;

- энтальпия природного газа соответственно перед теплообменником и после него, кДж/кг. Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Энтальпии природного газа определялись по [2].

Расход уходящих газов, направляемых в подогреватель природного газа:

 (4)

Определены расход продуктов сгорания и доля газов, направляемых по байпасному газоходу, в зависимости от среднемесячной температуры наружного воздуха. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Анализ результатов расчетов показывает, что работа двух детандергенераторных агрегатов на Безымянской ТЭЦ возможна в течении 7 месяцев (с апреля по октябрь). Число часов одновременной работы двух ДГА составляет 5136 ч/год.

Таблица 1. Расход продуктов сгорания для подогрева природного газа и доля газов, направляемых по байпасному газоходу, в зависимости от среднемесячной температуры наружного воздуха

Примечание. Здесь tн - среднемесячная температура наружного воздуха; G - расход уходящих продуктов сгорания, направляемых в теплообменник; в - доля газов, направляемых по байпасному газоходу.

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к теплообменной поверхности [7, 8]

(5)

где - коэффициент теплопроводности продуктов сгорания, Вт/(м·К).

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к природному газу

(6)

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

(7)

Средний температурный напор:

(8)

Определив теплопроизводительность, средний температурный напор и коэффициент теплопередачи, по формуле (2) рассчитаем значение площади поверхности нагрева подогревателя природного газа:

(9)

Определим повышение КПД котла за счет использования теплоты уходящих продуктов сгорания для подогрева природного газа перед двумя турбодетандерами.

КПД котла без учета работы поверхностного теплообменника для подогрева природного газа перед турбодетандерами [6]:

(10)

где q2 - потеря теплоты с уходящими газами, %; q3 - потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива, %; q4 - потеря теплоты от механического недожога топлива, %; q5 - потеря теплоты от наружного охлаждения, %; q6 - потеря теплоты с физической теплотой шлаков, %.

Потеря теплоты с уходящими газами:

(11)

где Hух - энтальпия уходящих газов, кДж/кг; H0хв - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха, кДж/кг; - располагаемая теплота сжигаемого топлива, кДж/м3.

Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания:

(12)

где

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

- теплоемкость соответственно трехатомных газов, азота и водяных паров, кДж/(м3·К).

Энтальпия продуктов сгорания:

(13)

КПД котла с использованием подогревателя природного газа

(14)

Повышение КПД котла за счет работы подогревателя природного газа составит 4,84%.

Произведена оценка эффективности проекта расширения Безымянской ТЭЦ двумя турбодетандерными агрегатами с использованием программы «Alt-Invest-Prim». В табл. 2 приведены данные для расчета по программе «Alt-Invest-Prim».

Стоимость основного оборудования (двух ДГА и подогревателя природного газа)

(15)

Полная стоимость капитальных вложений рассчитывается по формуле:

(16)

где ?ОБ - доля стоимости оборудования в полных капитальных вложениях (из диапазона 0,4-0,6).

Таблица 2. Информация, вводимая в программу «Alt-Invest-Prim»

Ниже приведены основные итоговые результаты оценки эффективности проекта, полученные с использованием программы «Alt-Invest-Prim».

Для индекса дисконтирования Е=12%: простой срок окупаемости ТОК=1,7 года; чистый поток денежных средств нарастающим итогом (ЧПДС или ЧД) ЧД = 365886 тыс.руб.; внутренняя норма доходности (прибыли) ВНД или IRR - 202,1%; чистая текущая стоимость проекта NPV - 185029 тыс.руб.; рентабельность инвестиций NPVR - 337%; дисконтированный чистый поток денежных средств нарастающим итогом ДЧПДС или ЧДД = 185029 тыс.руб.; дисконтированный срок окупаемости ТОК(Д) =1,8 года.

Для индекса дисконтирования Е=15%: простой срок окупаемости ТОК =1,7 года; чистый поток денежных средств нарастающим итогом (ЧПДС илиЧД) ЧД=365886 тыс.руб.; внутренняя норма доходности (прибыли) ВНД или IRR - 202,1%; чистая текущая стоимость проекта NPV - 160055 тыс.руб.; рентабельность инвестиций NPVR - 294%; дисконтированный чистый поток денежных средств нарастающим итогом ДЧПДС или ЧДД=160055 тыс.руб.; дисконтированный срок окупаемости ТОК(Д) =1,8 года.

Предложено на Безымянской ТЭЦ филиала «Самарский» ПАО «Т Плюс» установить два турбодетандерных агрегата с детандерами типа ЭТДА-2500, причем подогрев природного газа перед детандерами осуществлять теплотой уходящих продуктов сгорания энергетического котла БКЗ-220-100.

Выполнены расчеты. Определена необходимая площадь поверхности нагрева подогревателя природного газа (2067,98 м2). Повышение КПД котла за счет утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания составит 4,84%.

Произведена оценка эффективности проекта расширения Безымянской ТЭЦ двумя турбодетандерными агрегатами с использованием программы «Alt-Invest-Prim». Установлено, что простой срок окупаемости капитальных вложений составит 1,7 года, дисконтированный срок окупаемости 1,8 года. Чистый дисконтированный доход составляет 185029 тыс.руб. при индексе дисконтирования Е=12% и 160055 тыс.руб. при Е=15%.

Анализ результатов расчетов показывает достаточно высокую эффективность проекта расширения Безымянской ТЭЦ двумя турбодетандерными агрегатами.

Список литературы

1. Агабабов В.С. Бестопливные детандер-генераторные установки: учеб. пособие. / В.С. Агабабов, А.В. Корягин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 48 c.

2. Загорученко В.А., Журавлева А.М. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. - М.: Изд-во Комитета стандартов, 1969. - 236 c.

3. Зиганшина С.К., Кудинов А.А. Об одном способе подогрева дутьевого воздуха на тепловой электростанции // Энергетик. - 2014. - № 9. - С. 48-50.

4. Зиганшина С.К. Использование теплоты конденсации отработавшего в турбине пара на ТЭС // Энергосбережение и водоподготовка. - 2013. - № 6(86). - С. 35-37.

5. Зиганшина С.К. О возможности модернизации котла БКЗ-420-140 НГМ Самарской ТЭЦ // Энергетик. - 2014. - № 1. - С. 60-62.

6. Кудинов А.А., Зиганшина С.К. Энергосбережение в котельных установках ТЭС и систем теплоснабжения. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 320 с.

7. Кудинов А.А. Техническая гидромеханика: учеб. пособие. - М.: Машиностроение, 2008. - 368 с.

8. Кудинов А.А. Гидрогазодинамика: учеб. пособие. - М.: ИНФРА-М, 2011. - 336 с.

9. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др. / Под ред. А.В. Клименко. ? М.: Издательский дом МЭИ, 2011. ? 424 с.

Размещено на Allbest.ru