Причины увеличения энергетических затрат на транспорт газа и пути их снижения

В настоящее время в связи с переходом к рыночной экономике и рос­том цен на электроэнергию доля электроприводных ГПА в общем объе­ме эксплуатируемых агрегатов в газовой промышленности уменьшает­ся, а доля газотурбинных ГПА несколько увеличивается, что приводит к увеличению затрат природного газа на его транспортировку.

Известно, что основное потребление природного газа на собствен­ные нужды КС приходится на топливный газ, используемый в качестве топлива в газотурбинной установке и составляющий примерно 8 -10 % общего объема транспортируемого газа. В связи с этим основная зада­ча снижения энергетических затрат на КС заключается прежде всего в экономии топливного газа на собственные нужды КС магистральных газопроводов.

Газотурбинные установки, используемые в качестве привода нагне­тателя природного газа, наиболее чувствительны к изменению техни­ческого состояния своих элементов по сравнению с другими типами теп­ловых двигателей. С ухудшением технического состояния ГТУ для обес­печения мощности, необходимой для транспорта одного и того же объе­ма газа, как правило, требуется увеличение расхода топливного газа. Основными источниками ухудшения технического состояния ГТУ явля-

ются:

• загрязнение проточной части осевого компрессора;

• увеличение радиальных зазоров в турбомашинах и в концевых уп­лотнениях;

• коробление и прогар жаровой трубы камеры сгорания и, как след­ствие, увеличение неравномерности температурного поля на входе в турбину;

• утечки воздуха в регенераторе.

Загрязнению проточной части компрессора подвержены практичес­ки все типы эксплуатируемых ГПА, причем разные типы ГТУ в одина­ковых условиях по интенсивности загрязнения имеют различное сниже­ние мощности. Например, агрегаты ГТК-25И и ГТК-10И, имеющие по­стоянную частоту вращения турбокомпрессора, наиболее чувствитель­ны к загрязнению проточной части компрессора. Практикой установле­но, что наибольшую эффективность восстановления параметров ГТУ имеет периодическая чистка компрессора через каждые 1-2 тысячи ча-

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 271

сов наработки, при этом удается восстановить до 80 % снижения мощ­ности ГТУ.

Увеличение радиальных зазоров в турбомашинах и концевых уп­лотнениях связано главным образом с несовершенством конструкции и повышенной чувствительностью к режимам пуска и остановки, то есть к резким изменениям температуры рабочего тела. В качестве примера на рис. 5.4 показаны характеристики ГПА ГТН-25-1, установленного на КС «Донское», снятые экспериментально в начале эксплуатации и после 2400 ч наработки. Как видно, за время эксплуатации произошло снижение практически всех показателей ГПА. Приведенная мощность ГТУ снизилась на ~ 4 МВт, КПД установки - на 0,5-0,6 % и т.д. После разборки агрегата было обнаружено, что основной причиной снижения мощности явилось увеличение радиальных зазоров в турбине низкого давления.

Опыт эксплуатации ГТУ регенеративного цикла с использованием пластинчатых регенераторов показал, что они являются дополнитель­ным источником потерь мощности из-за потери герметичности регене­раторов. Восстановление мощности ГТУ в этом случае практически невозможно из-за неремонтопригодности регенераторов в станцион­ных условиях.

В настоящее время в рамках модернизации ГПА производится заме­на пластинчатых регенераторов на трубчатые, имеющие степень реге­нерации (рнО,8. Преимущества конструкции трубчатых регенераторов заключаются в возможности свободного перемещения трубок с горячим теплоносителем относительно корпуса регенератора, что снимает тем­пературные напряжения в местах их крепления к трубным доскам, а сле­довательно, исключает их поломку. Кроме того, трубчатые регенерато­ры допускают возможность их ремонта в условиях КС, в частности, путем заварки и исключения из работы негерметичных трубок. Приме­рами трубчатых регенераторов могут служить: регенератор РВП-2400 Подольского машиностроительного завода, устанавливаемый на ГТ-750-6, и регенератор фирмы «Нуово-Пиньоне», используемый при реконструкции ГТК-25И.

К ухудшению технического состояния ГТУ приводят коробление и прогар жаровой трубы камеры сгорания, в результате чего увеличива­ется неравномерность температурного поля и, как следствие, снижение мощности ГТУ за счет дополнительного ограничения температуры газа перед турбиной высокого давления.

Причиной увеличения энергетических затрат, не являющейся след­ствием ухудшения технического состояния ГТУ, является подогрев воз­духа на входе осевого компрессора. Подогрев циклового воздуха про-

N , кВт

епр'

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 273

исходит при включении антиобледенительной системы, а также при ус­тановке на входе ГТУ маслоохладителей. Принцип работы антиобле­денительной системы заключается в подаче горячего сжатого воздуха, отбираемого за компрессором (регенератором), или продуктов сгора­ния, отбираемых на выходе ГТУ и подаваемых на вход осевого комп­рессора. Начальная температура циклового воздуха при этом повыша­ется на 3-10 °С в зависимости от типа ГТУ и количества отбираемого воздуха (продуктов сгорания). Расчеты показывают, что увеличение температуры воздуха на входе ГТУ на 1 °С практически для всех типов ГПА приводит к снижению относительной располагаемой мощности на 1,2-1,5 % и относительного эффективного КПД на 0,46-0,65 %.

Эффективность транспорта газа определяется также и техническим состоянием нагнетателя ( см.раздел 5.5). Кроме того, как показывает анализ эксплуатации нагнетателей, режимы их работы не всегда соот­ветствуют оптимальным значениям по КПД, что связано с несогласо­ванностью характеристик нагнетателя и газопровода. На рис.5.5 в ка­честве примера показана область эксплуатационных режимов нагнета­теля 2Н-25-76-1,44 на КС «Донское». Режимы работы нагнетателя ха­рактеризуются низкими степенями сжатия е = 1,2 -s- 1,27, КПД •п_п=0,71-5-0,77 и лежат в области повышенных расходов газа. Отношение фактического КПД нагнетателя к его номинальному значению является режимным коэффициентом и в данном случае составляет

_{к =}г]_п= 0,71^0,77 _

Очевидно,что работа нагнетателя в указанной области его характе­ристики приводит к перерасходу топливного газа и для согласования характеристик нагнетателя и газопровода в данном случае необходимо использовать сменную проточную часть нагнетателя с оптимизацией его работы в области фактических расходов транспортируемого газа.

Эффективность транспорта газа может быть повышена путем введе­ния ряда мероприятий непосредственно на КС. К ним относятся:

• обновление парка ГПА;

• охлаждение транспортируемого газа;

• утилизация теплоты уходящих газов ГТУ;

• перевод нерегенеративных ГТУ на регенеративные;

• подогрев топливного газа и др.

Рис.5.5. Характеристики серийного нагнетателя 2Н-25-76-1,44:

ф ф - области работы нагнетателя на КС «Донское»;

ххх - экспериментальные точки

В настоящее время на КС магистральных газопроводов эксплуати­руются еще агрегаты первого поколения (1958 -1968 гг. выпуска), уже не выпускаемые промышленностью и имеющие низкий КПД (20-22%), что приводит к существенному перерасходу топливного газа. Замена и установка новых отечественных ГПА второго и третьего поколений (1970-1985 г.г.выпуска), имеющих более высокий уровень КПД (24-30%) не обеспечило ощутимого снижения расхода топливного газа, прежде всего из-за значительного ухудшения технического состояния

18.А.Н.Козаченко

глава 5

эксплуатируемых агрегатов. Так, например, коэффициент техническо­го состояния ГТУ по мощности, таких как ГПА-Ц-6,3 и ГТ-6-750, оце­нивается в настоящее время величинами 0,8-0,84 и 0,8-0,82, соответ­ственно. В последнее время большое внимание уделяется обновлению парка ГПА с использованием более мощных (16-25 МВт) и имеющих более высокий уровень КПД 32-36% агрегатов. К таким агрегатам в первую очередь относятся ГТН-25-1, ГПА-Ц-6,3 с двигателем НК-14, ГПА-Ц-16 с двигателями АЛ-31, ПС-90, НК-38СТ и др.

Как отмечалось выше, газодинамические характеристики нагнета­телей ухудшаются в процессе эксплуатации, поэтому, наряду с заменой ГПА на более совершенные, осуществляется и замена сменных проточ­ных частей нагнетателей с получением более высоких КПД и пологой характеристикой по эффективности в широком диапазоне изменения производительности нагнетателя.

Не менее важную роль в снижении энергетических затрат на транс­порт газа играет снижение температуры транспортируемого газа. С понижением температуры газа уменьшается работа сжатия газа в нагнетателях, а следовательно, снижается расход топливного газа. Сни­жение температуры газа до температуры грунта позволяет сэкономить до 20% топливного газа. Для уменьшения температуры газа целесооб- Ц разно повысить эффективность системы охлаждения путем совершен­ствования газодинамических характеристик вентиляторов и теплотех­нических характеристик теплообменных аппаратов АВО газа.

Утилизация теплоты уходящих газов ГТУ является самым распрост­раненным способом повышения эффективности использования ГПА на I КС. Применяемые утилизаторы, как правило, используются для обес- | печения отопления жилых поселков и получения горячей воды. Особен- ;| ностью такого использования утилизируемой теплоты является сезон­ность и малая часть ее потребления, составляющая 7-12 % общего ко­личества располагаемой теплоты газотурбинных ГПА.

Наиболее эффективный способ использования теплоты отходящих газов ГТУ - регенеративный подогрев циклового воздуха, поступаю­щего в камеру сгорания ГТУ. Для реализации регенеративного цикла используются теплообменные аппараты-регенераторы, эффективность которых определяется степенью регенерации

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 275

ГПА второго и третьего поколений (ГТ-750-6, ГТК-10), снабжен­ные пластинчатыми теплообменниками, имеют степень регенерации ф = 0,67н-0,7, что соответствует экономии топливного газа в лучшем случае на 12-15 % по сравнению с безрегенеративной ГТУ, имеющей КПД ц_е =25-5-27%.

Современные регенераторы, имеющие степень регенерации ф > 0,8, при тех же условиях позволяют сэкономить до 25-30% и больше топлив­ного газа. Однако переход безрегенеративных ГТУ на регенеративные не всегда возможен для эксплуатируемых ГПА отечественного произ­водства и сопровождается уменьшением мощности ГТУ из-за дополни­тельных гидравлических потерь в газовой и воздушной полостях реге­нератора. Решение задачи использования регенеративных ГТУ на КС должно осуществляться в каждом конкретном случае индивидуально.

Другим направлением утилизации теплоты отходящих газов являет­ся ее использование для выработки электроэнергии путем применения паротурбинных' агрегатов, имеющих достаточно высокий уровень КПД—до 42%) и выше. Практическая реализация этого направления осложняется по двум причинам:

• достаточно большие капиталовложения;

• отсутствие надежного потребителя вырабатываемой электроэнергии (кроме энергозатрат на собственные нужды КС).

Не менее важным направлением повышения эффективности КПД ГТУ является подогрев топливного газа за счет использования теплоты отходящих газов путем установки в выхлопном тракте ГТУ подогрева­теля топливного газа. Подогрев газа вследствие испарения жидких фракций попутного конденсата способствует увеличению полноты сго­рания горючей смеси: осушенного и подогретого топливного газа с пер­вичным воздухом. Увеличение полноты сгорания топлива в свою оче­редь способствует уменьшению неравномерности температурного поля перед турбиной, возможности прогара жаровой трубы камеры сгора­ния и соплового аппарата лопаток ТВД.

5.7. Турбодетандер

(5.43)

где t_s - температура газа.на выходе силовой турбины; t - температура воздуха за регенератором; t_c - температура воздуха за компрессором.

Одним из направлений снижения технологических потерь транс­порта газа является рациональное использование энергии, теряемой при снижении давления газа на газораспределительных станциях (ГРС) и при подготовке топливного газа. Снижение давления тради-

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 277

ционно происходит дросселированием технологического газа. Ис­пользовать энергию газового потока, высвобождаемую при сниже­нии давления газа, можно путем применения турбодетандера, пред­ставляющего собой газовую турбину, работающую на перепаде дав­ления дросселируемого газа. Применение турбодетандера позволя­ет получить полезную мощность, используемую, например, для вы­работки электроэнергии. Величина вырабатываемой мощности за­висит от степени понижения давления и расхода газа в турбодетан-дере. На рис.5.6 представлена примерная зависимость мощности турбодетандера от степени понижения давления газа и числа рабо­тающих на номинальном режиме ГПА-Ц-16 (расхода топливного газа), из которой следует, что при ограничении давления на выходе турбодетандера 3 МПа и давления в газопроводе 5,40 и 7,35 МПа при работе одного ГПА можно получить полезную мощность ~ 100 и ~ 120 кВт, соответственно. При работе пяти ГПА-Ц-16 полезная мощ­ность при тех же степенях понижения давления газа увеличивается соответственно до 240 и 300 кВт.

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6

Рис. З.б.Зависимость мощности ПЭГА от числа работающих ГПА-Ц-16 и степени понижения давления

Рис.5.7. Структурная схема ПЭГА (а) и схема проточной части турбины (б):

ТД - турбодетандер; Г - генератор; Д - дозатор газа; РЧВ - регулятор частоты

вращения; СА - сопловой аппарат; РК — рабочее колесо;

НА - направляющий аппарат

глава 5

Процесс расширения газа в турбине турбодетандера сопровождает­ся понижением его температуры; поэтому, если обеспечить теплообмен между воздухом, отбираемым за осевым компрессором ГТУ, и топлив­ным газом, можно осуществить подогрев топливного газа и тем самым получить его эко.номию до 10-12 %.

Конструктивное исполнение турбодетандера совместно с электро­генератором и системой регулирования представляет собой пневмо-электрогенераторный агрегат (ПЭГА ), структурная схема которого представлена на рис.5.7. Там же схематично показан график изменения давления и температуры газа в турбине и проточная часть турбины. Работа ПЭГА заключается в следующем. Газ из магистрального газо­провода через управляемый кран К, и дозатор Д поступает к сопловому аппарату СА газовой турбины. В сопловом аппарате увеличивается скорость газа за счет снижения давления ( потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую). Газ воздействует на рабочие лопатки турбины, создает окружное усилие на рабочем колесе ротора, который через упругую муфту приводит во вращение электрогенератор Г. Час­тота вращения ротора генератора поддерживается центробежным ре­гулятором путем изменения подачи газа в турбину с помощью дозирую­щего элемента дозатора Д. При высоких давлениях Р>3 МПа рабочего газа осуществляется непрерывное автоматическое регулирование по­дачи газа с помощью дозатора. В случае снижения давления газа ниже 3 МПа (ГРС ) и необходимости увеличения мощности включается дис­кретное регулирование, увеличивая расход газа через кран К₂.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: