Турбодетандеры нового поколения в решении задач энергоснабжения столицы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Турбодетандеры нового поколения в решении задач энергоснабжения столицы

В.И. Гуров,

начальник сектора ЦИАМ, д.т.н.

Центральный институт авиационного моторостроения -- головной научный центр по авиационным и ракетным двигателям бывшего Авиапрома (ныне ГНЦ РФ ЦИАМ). ЦИАМ заявил о себе на мировом уровне уже в 1937 году, когда два экипажа -- Чкалова и Громова на одномоторных самолетах АНТ-25 с двигателем главного конструктора ЦИАМ Микулина перелетели из Москвы в Америку через Северный полюс. Достижения ЦИАМ в послевоенные годы признаны мировой общественностью, и ныне наше предприятие является лидером в научно-техническом обеспечении авиационного двигателестроения и наземных установок на их основе.

Более 15 лет институтом разрабатывается проблема применения турбодетандеров в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в газовой промышленности. За это время проведен комплекс теоретических исследований и созданы опытные образцы различных турбодетандерных установок с учетом накопленного научно-технического задела по лопаточным машинам авиадвигателестроения. Достаточно сказать, что в ЦИАМе несколько десятков лет продолжает успешно работать 2-х ступенчатый воздушный турбодетандер с получением температурного перепада в 120 градусов. Воздух с пониженной, против нормальной, температурой используется в различных экспериментах.

В соответствии с пионерским патентозащищенным техническим решением (приоритет от 16.01.1992 года) созданы и испытаны опытные образцы установок КУРС-1 и КУРС-2 мощностью 2 МВт каждая, интегрирующий турбодетандер с газотурбинной установкой на базе электростанции ПАЭС-2500. Турбодетандер был испытан как при снижении давления природного газа, так и сжатого воздуха с начальным давлением до 0,5 МПа.

На основе анализа достигнутых в ЦИАМе результатов с учетом опыта создания различными организациями турбодетандеров в России можно уверенно ответить на вопрос, поставленный главным редактором газеты «Промышленные ведомости» за август этого года: «Грозит ли России детандеризация всей страны?» Отвечаю: «Для страны -- не грозит!» Детандеризация может быть целесообразна только для отдельных объектов в рамках отдельных регионов, в том числе таких мегаполисов, как Москва. Обоснованию такого ответа посвящена эта статья.

Рассмотрим энергетические, экологические и экономические возможности турбодетандеров, предполагаемых к постановке взамен редукторов давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Оценим эффективность работы турбодетандера (ТД), принимая во внимание необходимость подогрева природного газа перед ним с подведением тепловой мощности, превышающей на 20-30% мощность ТД. Снижение при этом эффективного к.п.д. турбодетандера можно оценить по формуле (1), разработанной автором совместно с В.И. Никишиным и впервые опубликованной в 1997 году:

турбодетандер энергооборудование энергетический

Как следует из формулы (1), реальная величина выражения в круглых скобках находится вблизи 0,75, следовательно, при величине зB=0,8 эффективный к.п.д. зE равен 0,6, а с учетом неизбежных утечек природного газа в атмосферу через уплотнение между ротором и статором значение зE может находиться в диапазоне 0,47-0,52. Из форму лы (1) следует интересный результат: при 1% утечек от расхода редуцируемого газа и при равенстве нулю третьего члена в круглых скобках эффективный к.п.д. зE стремится к нулю. Сжигание газа, потребное для осуществления подогрева ПГ, снижает экологические показатели энергоисточника как по вредным выбросам оксидов азота и углерода, так и по шумовому, а также по тепловому воздействию на окружающую среду, причем тепловую мощность можно оценить в 150-200 кВт на 1 МВт мощности турбодетандера.

И, наконец, стоимостные показатели турбодетандера как объектового, а не серийного агрегата, можно оценить в $ 500-700 на один кВт установленной мощности.

Представленные показатели турбодетандеров по эффективности, экологии и стоимости могут свидетельствовать о том, что их применение в масштабе всей страны может привести к условной годовой экономии природного газа в пределах 4-6 млрд. м3, что приближается к 1% от уровня добываемого ПГ. Учитывая, что в силу изношенности газопроводов суммарные утечки газа могут приближаться к 2,5-3,0 млрд. м3 в год, целесообразно эффективность использования турбодетандеров решать в каждом конкретном случае применительно к особенностям того или иного региона страны, а также индивидуальных характеристик ГРС или ГРП. При этом неизбежно встает вопрос об оптимальной размерности турбодетандера, особенно применительно к турбодетандеру нового поколения, проект которого разработан совместно ГНЦ РФ ЦИАМ, ГНЦ РФ ВЭИ и ООО «Газхолодтехника». Турбодетандер мощностью 1 МВт, схематично представленный на рис. 1, выполнен без механического редуктора, маслосистемы и маслозатвора с использованием высокоскоростного электрогенератора на магнитных подшипниках, сопряженного с преобразователем частоты. Важным перспективным решением предлагаемой схемы является эффективная утилизация неизбежных утечек ПГ с помощью специального теплогенераторного устройства. Выбранная размерность турбодетандера нового поколения является оптимальной с учетом его эффективности, экологических и стоимостных показателей. Стоимость опытного образца предлагаемого турбодетандера мощностью 1 МВт составит 20 млн. рублей, а при изготовлении серии в 80-100 экземпляров стоимость одного экземпляра снизится до уровня 8-9 млн. рублей, что по техническим и стоимостным показателям позволит ему обрести конкурентноспособность по отношению к западным образцам.

Широкие возможности дополнительного использования турбодетандера открываются при глубокой модернизации действующего энергооборудования типа ПАЭС-2500 или ГТУ-2,5 П. В этом случае (пример установки КУРС-2 мощностью 2 МВт) турбодетандер работает на сжатом воздухе от автономного источника, повышая тем самым эффективный к.п.д. до 27% и снижая вредные выбросы оксидов азота (менее 50 мг/м3) в выхлопных газах, причем в отличие от установки КУРС-1 достигается автономность работы установки КУРС-2 вне ее привязки к ГРС или ГРП.

Таким образом, Москва представляет собой благоприятный мегаполис для эффективного использования турбодетандеров нового поколения мощностью до 1 МВт как в случаях привязки их к ГРС или ГРП, так и при автономном использовании, например, в составе установок КУРС-2. По своим техническим и экономическим показателям предлагаемые турбодетандеры с учетом возможности их серийного изготовления представляют собою конкурентоспособную продукцию высокого инновационного уровня.

О надежности разработок ЦИАМ свидетельствует успешная эксплуатация в г. Ново-Полоцке (республика Беларусь) в течение пяти лет газотурбинной установки ГТЭ-20/55СТ с наработкой двух ее экземпляров более 8 тысяч часов. Окупаемость установки составила два года при использовании тепла выхлопных газов для производства пара.

Размещено на Allbest.ru