Підвищення ефективності споживання палива у газотранспортній системі України

Размещено на http://www.allbest.ru//

136

|

Размещено на http://www.allbest.ru//

Підвищення ефективності споживання палива у газотранспортній системі України

Л.Ю.Козак

Сьогодні газотранспортна система України має загальну протяжність понад 35 тис. км, 120 компресорних цехів, 779 газоперекачуючих агрегатів (ГПА) загальною потужністю близько 5,5 тис. МВт. З них з газотурбінним приводом (ГТУ) складають 80% парку, які споживають близько 5,1 млрд.м3 газу на рік [1].

Більшість з ГПА були спроектовані у 60-ті роки і тепер морально застаріли, з них від 50% і більше повністю виробили свій ресурс. Коефіцієнт корисної дії (ККД) найбільш поширених вітчизняних агрегатів ГТН-6, ГТ-750-6, ГПА-

Ц-6,3 дорівнює 20-24%, у більш досконалих ГТН-25і, ГПА-Ц-16 - 25,5-27,0%. ККД сучасних українських ГТУ сягає 33-34%, тоді як аналогічні закордонні агрегати мають ККД до 36% [2].

Через моральне зношення, недосконалість конструкції та технологічного циклу теперішні компресорні станції (КС) надзвичайно енергозатратні і є потужним джерелом забруднення навколишнього середовища викидами окислів азоту і вуглецю та великої кількості низько-потенціального тепла. Менше третини теплоти, що одержується внаслідок спалення паливного газу, використовується ГПА, решта майже повністю викидається в атмосферу.

Для підвищення ефективності роботи ГПА розроблено «Програму реконструкції компресорних станцій Укргазпрому» на період до 2010 року, в якій передбачено технічне переозброєння КС з використанням кращих вітчизняних газотурбінних двигунів, ККД яких становить близько 36% [1]. Але навіть у випадку заміни ГТУ на більш ефективні проблема енергозатрат вирішується частково, оскільки ККД зросте лише на 9-10%, а близько двох третіх теплоти згоряння палива все одно буде відводитися у навколишнє середовище з викидними газами. Сьогодні їх використання становить не більше 5% за рахунок обладнання ГПА теплообмінниками ще у 70-80 роках. До цього часу утилізоване тепло використовується тільки для власних потреб компресорних станцій і дрібних зовнішніх споживачів, оскільки не вирішені проблеми передачі утилізованого тепла крупним зовнішнім споживачам, частково з причини відсутності їх поблизу багатьох компресорних станцій.

Один зі шляхів вирішення проблеми підвищення ефективності споживання палива у газотранспортній системі є утилізація теплоти викидних газів з метою виробництва електроенергії [3]. Найбільш вірогідними є процеси утилізації тепла викидних газів з використанням конденсаційних парових турбін. На рисунку 1 наведена схема, що пояснює процес утилізації теплоти викидних газів ГПА. Викидні гази газової турбіни 2, що приводить в рух компресор 6, з температурою близько 5000С потрапляють в котел-утилізатор 1, в якому за рахунок теплоти викидних газів вода доводиться до кипіння і випаровується. Пара під тиском з утилізатора 1 потрапляє у парову турбіну 2, де її пружна енергія перетворюється у механічну енергію, а відтак в електричну за допомогою генератора 3. Відпрацьована пара потрапляє у конденсатор 4, де конденсується, і насосом 5 подається знову у котел-утилізатор 1. Як робоче тіло використовується вода. Більш ефективним, за дещо складнішої конструкції, є використання в утилізаційних установках органічних робочих тіл з низькою теплотою пароутворення [3], наприклад н-пентану. Подібну схему утилізації планується реалізувати на Богородчанській компресорній станції Прикарпаттранс-газу.

1 - котел-утилізатор; 2 - газова та парова турбіни; 3 - електрогенератор; 4 - конденсатор; 5 - насос; 6 - компресор

Рисунок 1 -- Спрощена схема установки для утилізації викидних газів ГПА

За даними роботи щорічна кількість тепла , що викидає в атмосферу ГТУ ГПА, складає від 108х109 МДж до 117х 109 МДж. За їх розрахунками, з такої кількості теплоти можна виробляти 16 млрд. кВтгод електроенергії, для виробництва якої необхідно спалювати 5 млрд. м3 природного газу. Наведені вище оцінки є завищеними (сьогодні вся газотранспортна система споживає приблизно 5 млрд. м3 газу, в основному як паливо для привода ГПА, з яких близько третини енергії витрачається для перекачування газу, тому з решти, двох третіх, аж ніяк неможливо виробити стільки електроенергії, скільки з 5 млрд. м3 газу). Нижче подамо наші розрахунки.

Розрахунок. Якщо вважати що при згорянні 1м3 газу виділяється 35 МДж/м3, то з 5 млрд. м3 газу можна одержати теплоти

5 х 109 м3 х 35 МДж/м3 = 175 х 109 МДж.

Якщо вважати, що середній ККД ГПА становить близько 26%, то 74% цієї теплоти викидатиметься у навколишнє середовище

175 х 109 МДж х 0,74 = 129,5 х 109 МДж.

Оскільки теплота викидних газів є невисокого потенціалу, то відповідно до другого закону термодинаміки коефіцієнт корисної дії її перетворення у електричну енергію буде невисоким - 20-25%. Тоді кількість виробленої електроенергії становитиме

129,5 х 109 МДж х 0,2 : 3,6 МДж/кВт-год =

= 7,19 х 109 кВт-год,

де 1 кВт-год = 3,6 МДж

Необхідна кількість природного газу для виробництва електроенергії становитиме

7,19 х 109 кВт-год : 2,92 кВт-год/м3 =

2,46 м3 х 109 газу,

де 2,92 кВт-год/м3 - кількість кіловат-годин, які можна одержати при спалюванні 1м3 газу з ККД рівним 30%

35 МДж/м3 х 0,3 : 3,6 МДж/кВт-год =

2,92 кВт-год .

Отже, утилізація теплоти викидів ГПА у газотранспортній системі дасть змогу заощадити близько 2,5 млрд. м3 газу при сьогоднішніх затратах близько 5 млрд. м3 газу. У цьому випадку ефективність використання палива підвищується до 50%.

В даній статті пропонується інший шлях вирішення проблеми -- значне підвищення ККД привода ГТУ і максимальне використання теплоти викидних газів [4], що досягається шля-хом оптимізації технологічного циклу (рис. 2). Для цього необхідно замінити газотурбінний привод ГПА на електричний, а для електроживлення таких ГПА необхідно побудувати парогазові теплоелектроцентралі (ТЕЦ) у місцях, близьких до крупних споживачів теплоти (наприклад, обласних та районних центрів). Паливом для цих ТЕЦ буде природний газ, який спалюється сьогодні у газових турбінах ГПА.

Така технологія забезпечить ефективне використання високопотенціальної складової теплоти згоряння палива за рахунок когенерації у парогазотурбінних установках (ПГУ), які забезпечують значне виробництво електроенергії і глибоку утилізацію теплоти відхідних газів [5].

Рисунок 2 -- Спрощена схема оптимізації технологічного циклу

Найпростіша схема (рис. 3) парогазової ТЕЦ - це газотурбінний двигун 2, який приводить у рух електрогенератор 3. Теплові викиди від газової турбіни потрапляють в утилізаційний паровий котел 1. Пара під тиском з котла подається на парову турбіну 2, яка працює у теплофікаційному режимі, і урухомлює інший електрогенератор 3. Загальний теплотехнічний ККД таких установок становить 80-85% з них 50-55% по виробництву електроенергії. Схема ПГУ схожа на схему ГПА з утилізаційною установкою. Відмінність лише в тому, що газова турбіна ПГУ урухомлює генератор, а у ГПА - газоперекачуючий компресор. У випадку комплектації їх однаковими агрегатами ККД з перетворення теплової енергії у механічну буде для них також однаковим.

Використання запропонованої нами технології дасть змогу значно підвищити ефективність роботи ГПА, адже тоді можна буде використовувати близько половини теплоти палива у вигляді електроенергії для привода компресора, а решту -- для теплопостачання споживачів. У цьому випадку первинна теплова енергія природного газу буде використана на 80-85%. Це значно перевищує показник (50-55%) вищезгаданої технології утилізації викидів теплоти ГПА, оскільки остання не забезпечує утилізацію низькопотенціальної теплоти викидів газу.

Відповідно до запропонованої схеми використання теплоти викидних газів для опалення і гарячого водопостачання у комунальному господарстві дасть змогу значно знизити кількість природного газу, що сьогодні згоряє у міських котельнях. Приблизні розрахунки засвідчують, що у разі повної реалізації запропонованого проекту можна буде зекономити близько 3,5 млрд. м3 природного газу, що на 1 млрд. (40%) більше, ніж у попередньому випадку.

Розрахунок. При ККД 26% енергія, що споживають ГПА, складає

175 х 109 МДж х 0,26 = 45,5 х 109 МДж.

1- утилізатор; 2 - газова та парова турбіни;

3 - електрогенератори; 4 - конденсатор;

5 - насос

Рисунок 3 -- Спрощена схема парогазової теплоелектроцентралі

За запропонованою технологією, ККД якої з перетворення теплової енергії у механічну (електричну) є близько 50%, споживання природного газу буде

91 х 109 МДж : 35 МДж/м3 = 2,6 млрд. м3,

де: 45,5 х 109МДж : 0,5 = 91 х 109МДж - необхідна теплота, яка виділиться при згорянні;

35МДж/м3 - теплотворна здатність природного газу.

Частина теплоти (50%), що одержується при спалюванні 2,6 млрд. м3 газу, використовуватиметься для привода ГПА, а інша частина у вигляді теплоти викидних газів буде використана для теплопостачання населених пунктів, біля яких розташують теплоцентралі з ПГУ. Якщо прийняти, що ККД використання цієї теплоти становитиме 80%, то її кількість становитиме

45,5 х 109 МДж х 0,8 : 4,19 х 103 Гкал/МДж =

= 8,69 х 106 Гкал,

де 1 Гкал = 4,19 х 103 МДж - співвідношення між Гкал і МДж.

Використання цієї теплоти у кількості 8,69 х 106 Гкал (котельні комунальної теплоенергетики сьогодні виробляють 47 млн. Гкал тепла [6]) дасть змогу зменшити спалювання газу у котельнях комунальної теплоенергетики у кількості

119м3 х 8,69х106Гкал = 1,034 х109 м3 газу,

де 4,17 х 106 Гкал/МДж : 35 МДж/ м3 = 119 м3 - кількість газу, яку необхідно спалити для одержання 1 Гкал теплоти.

Кількість заощадженого природного газу становитиме 2,4 + 1,034 = 3,434 млрд. м3.

Звичайно, для реалізації вищенаведених пропозицій з підвищення ефективності використання палива у газотранспортній системі необхідне буде значне за обсягами переобладнання ГПА. За запропонованою нами схемою можна буде використовувати ГТУ значно більшої потужності, у яких ККД є вищим, а кількість обладнання буде меншою.

Для прикладу візьмемо реконструкцію КС, у якої чотири ГПА потужністю 25 МВт кожна. За першим варіантом при реконструкції необхідно замінити чотири ГТУ, які виробили свій ресурс. Додатково для утилізації теплоти викидних газів необхідні будуть чотири котли-утилізатори і чотири парові турбіни з електрогене-аторами.

У випадку реконструкції, за нашим варіантом, замість ГТУ на газоперекачуючих агрегатах необхідно буде установити чотири електроприводи. Для їх живлення необхідно буде збудувати ТЕЦ з ПГУ, для якої необхідна ГТУ потужністю 80 МВт, один котел-утилізатор, одна парова турбіна потужністю 20 МВт.

Крім комерційної вигоди, реалізація пропозиції має значний природоохоронний ефект, адже значно знизяться викиди у навколишнє середовище. Так, згідно з даними роботи [7], кожна заощаджена гігакалорія теплоти запобігає викидам у атмосферу 2,2 кг твердих часток,

3 кг оксидів сірки та близько 1 кг оксидів азоту. Менша кількість спалюваного природного газу дасть змогу зменшити викиди парникових газів і перш за все двоокису вуглецю до 0,5 млн. т. Оскільки, відповідно до домовленості у Кіото на Конференції Сторін Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату (грудень 1997 р.), право на викиди 1 т парникових газів коштує 20-100 доларів США [7], то продаж прав на викид 0,5 млн. т двоокису вуглецю становитиме від 10 до 50 млн. доларів.

Нами пропонується почати з Івано-Франківської області, яка є однією з найбільш енергонасичених областей України, де крім потужної теплової електростанції розміщені дві великих КС. Ці КС знаходяться на території області біля міст Богородчани та Долина. Їх потужність становить 324 МВт включно з електроприводом, потужність якого 94 МВт.

Для забезпечення потужності ГПА необхідно спалювати за секунду 30 куб. м3 природного газу. При спалюванні такої кількості газу потужність теплового потоку рівна 1040 МВт, але тільки третина його використовується (324 МВт) для привода компресорів, близько двох третіх теплового потоку викидається у навколишнє середовище (756 МВт). Якщо протягом року КС завантажені наполовину потужності, то теплота, яка виділяється у навколишнє середовище, становить 3,17х106 МВт-год, або 2,72х106 Гкал. Для одержання цієї теплоти необхідно спалити газу у кількості 373552,2 тис.м3, близько 0,4 млрд. м3. Це приблизно та кількість газу, що сьогодні в області спалюється протягом року для забезпечення теплом і гарячою водою.

Для початку можна реалізувати проект для існуючого електропривода ГПА, що є на Богородчанській КС (94 МВт). Пропонується установити біля Івано-Франківська у промисловій зоні, де тепер знаходиться котельний комплекс, парогазову ТЕЦ. Ця ТЕЦ вироблятиме електроенергію для живлення ГПА Богородчанської КС, а тепло буде використовуватись для теплопостачання міста.

Впровадження цього проекту дасть змогу Богородчанській КС отримувати замість природного газу значно дешевшу електроенергію завдяки більш високому ККД парогазової ТЕЦ, а місто отримає дешеве джерело тепла, яке вироблятиме ТЕЦ у кількості 0,8 млн. Гкал за рік вартістю у 80 млн. гривень (за теперішніми роз-цінками 100 гривень за 1 Гкал). Сьогодні Івано-Франківське «Теплокомуненерго» для теплопостачання та гарячого водопостачання міста протягом року виробляє 1,1 млн. Гкал теплоти, спалюючи для цього близько 150 млн. м3 газу. Використовуючи тепло від парогазової ТЕЦ, місто буде спалювати у котельнях на 100 млн. м3 газу менше.

Зменшення використання природного газу в області на 100 млн. м3 знизить техногенний тиск на навколишнє середовище.

Література

1. Макар Р.М., Говдяк Р., Шелковський Н.А. Стан, шляхи та перспективи газозабезпечення України // Вісник ДУ “Львівська політехніка”: Проблеми економії енергії. - Львів, 1998. - С. 7-10.

2. Ковалко М.П., Денисюк С. П. Енергозбереження -- пріоритетний напрямок державної політики України. - К.: Українські енциклопедичні знання, 1998. - 511 с.

3. П'ятничко В.А., Крушевич Т.К., П'ят-ничко А.И. Утилізація низькопотенціального тепла для виробництва електроенергії на компресорних станціях // Екотехнології і ресурсозбереження. - 2003. - № 4. - С. 3-6. паливо газотранспортний газ

4. Козак Л.Ю., Грудз В.Я., Середюк М.Д, Слободян В.І. Енергозаощадження у газотранспортній системі України // Нафтова і газова промисловість. - 2001. - № 3.

5. Козак Л.Ю. Ефективне використання високопотенціальної складової теплоти згорання палива // Матеріали міжнародної науково-прак-тичної конференції. 4-6 травня 1999 р. - Івано-Франківськ, 1999. - С. 32-35.

6. Лихошва Ю.В. Енергозбереження у житлово-комунальному господарстві -- пріоритетний напрям діяльності // Конгрес з енергоресурсозбереження. 3-6 червня 1997 р. - К., 1997. - С. 25-39.

7. Здановський В.Г. Деякі аспекти екобезпеки теплоенергетики України та шляхи її покращання // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - Івано-Франківськ, 2000. -

Размещено на Allbest.ru