ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ВМЕСТО ДРОССЕЛЯ НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

АННОТАЦИЯ

Одним из направлений энергоэффективных технологий в энергетике является применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА), которые позволяют повысить эффективность генерации энергоносителей при преобразовании энергии высокого давления транспортируемого природного газа. Несмотря на многочисленные научные исследования в области использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электроэнергии, недостаточно изучены вопросы разработки методов оценки эффективности использования детандер-генераторного агрегата на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах (ГРП). Цель статьи состоит в оценке эффективности применение детандер-генераторных агрегатов вместо дросселя на газорапределительных системах. Сложность выбора между ДГА и дросселем на ГРП заключается в необходимости учета множества факторов. Исследования показали что замена традиционных устройств понижения давление (дросселя) на ДГА обеспечивает увеличение эксергетического КПД ГРП более, чем в полтора раза, что доказывает эффективность использования ДГА взамен дросселя на газораспределительных пунктах. Доказана высокая энергетическая эффективность предлагаемой схемы использования детандер-генераторных агрегатов для выработки электроэнергии по эксергетическому КПД на основе эксергетического метода термодинамического анализа.

ABSTRACT

One of the areas of energy-efficient technologies in the energy sector is the use of expander-generator units (EGU), which make it possible to increase the efficiency of energy generation when converting high-pressure energy from transported natural gas. Despite numerous scientific studies in the field of using the energy of excess pressure of natural gas to generate electricity, the development of methods for assessing the efficiency of using an expander-generator unit at gas distribution stations (GDS) and gas distribution points (GDP) has not been sufficiently studied. The purpose of the article is to evaluate the effectiveness of using expander-generator units instead of a choke on gas distribution systems. The difficulty of choosing between EGU and a throttle for hydraulic fracturing lies in the need to take into account many factors. Research has shown that replacing traditional pressure reduction devices (throttles) with EGUs provides an increase in the exergy efficiency of hydraulic fracturing by more than one and a half times, which proves the effectiveness of using EGUs instead of choke at gas distribution points. The high energy efficiency of the proposed scheme for using expander-generator units for generating electricity according to exergy efficiency based on the exergy method of thermodynamic analysis has been proven.

Ключевые слова: детандер-генератор, эксергетический кпд, эффективность, газораспределительный пункт, дроссель.

Keywords: expander-generator, exergy efficiency, efficiency, gas distribution point, throttle.

Введение

Вопросы энергоэффективности технологических процессов электроэнергетики, как на стадии генерации, так и потребления электроэнергии играют важную роль в экономике любого государства.

В последнее время большое внимание уделяется развитию энергоэффективных технологий, позволяющих снизить расход топлива на производство электроэнергии [1]. C развитием и внедрением новых технологий энергопроизводства, все большее внимание направлено на вопросы совмещенного производства энергии и ее использования в качестве вторичного ресурса [2,3]. Одним из таких направлений является применение электрогенерирующих установок в виде детандер-генераторных агрегатов (ДГА) [4-7], позволяющих повысить эффективность генерации энергоносителей при преобразовании энергии высокого давления транспортируемого природного газа.

Несмотря на существующие научные исследования в области использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электроэнергии, в том числе по разработке технологии, схем и методов расчёта турбодетандерных установок и совершенствования существующих, недостаточно изучены вопросы разработки энергоэффективных и энергосберегающих технологических схем и методов расчёта турбодетандерных установок, и особенно, оценки эффективности использования детандер-генераторного агрегата на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах.

Цель данного исследования – оценка эффективности применение детандер-генераторных агрегатов вместо дросселя на газорапределительных системах, использующих технологические перепады давления и низкопотенциальную энергию транспортируемого газа. Задачи исследований - обзор и анализ существующих схем использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электроэнергии, разработка схемы бестопливных установок для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и оценка его эффективности.

Научная новизна данного исследования состоит в том, что доказана высокая энергетическая эффективность предлагаемой схемы использования детандер-генераторных агрегатов для выработки электроэнергии по эксергетическому КПД на основе эксергетического метода термодинамического анализа. 

Методология исследований

Газ, который транспортируется по магистральным газопроводам (МГП), обладает как потенциальной, так и кинетической энергией. Потенциальная энергия газа связана с его давлением и происходит из-за сжатия газа в трубе. Кинетическая энергия газа связана с его скоростью движения в трубе [6].

При передаче газа через МГП большая часть энергии газа теряется в процессе редуцирования газа (снижение давления и/или температуры). Это происходит на пунктах регулирования давления (компрессорных станциях), а также на местах перекачки из одного газопроводного участка в другой или при доставке газа в газификационные установки. Энергия теряется в виде тепла, шума и других видов энергии, которые не могут быть использованы для энергетических нужд [6].

ДГА представляют собой устройства, которые используют снижение давления газа в системе для выделения энергии в виде электричества. Они обеспечивают высокую энергетическую эффективность и могут быть применены на различных промышленных объектах газовой промышленности, включая газораспределительные станции (ГРС), компрессорные станции (КС), газорегуляторные пункты (ГРП) и другие. Это позволяет существенно сэкономить энергию и снизить затраты на электроэнергию [8-10].

Рисунок 1. Одноступенчатый ДГА с теплообменником

Рисунок 2. Существующая технология редуцирования природного газа на ГРП (ГРС)

Детандер-генераторные агрегаты, используются для трансформациии механической энергии высокого давления транспортируемого природного газа, в электрическую. Такое решение позволяет повысить эффективность использования газопроводной системы и частично снизить затраты на получение энергии. ДГА работают на основе принципа работы турбины. При этом газ высокого давления поступает в турбину, где он разряжается и движется через межлопаточные каналы рабочего колеса (прочеса). При прохождении через межлопаточные каналы направляющего аппарата газ расширяясь подвергается снижению давления, после чего он поступает в рабочие каналы турбины. В турбине газ совершает работу, которая тратится на вращения рабочего колеса. Это движение затем используется для вращения ротора генератора, производящего электроэнергию.

Рисунок 3. Предлагаемая технология редуцирования природного газа на ГРП (ГРС)

При проведении сравнения эффективности ДГА и дросселя на ГРП  в качестве критерия эффективности был выбран эксергетический КПД.

При расчёте эксергетического КПД использовалось следующее выражение:

                                                                        (1)

где и - сумма эксергий на выходе и на входе установки, кВт.

При исследовании воздействия параметров процессов на эффективность использования ДГА вместо дросселя необходимо учитывать влияние различных факторов на эксергетический КПД. Важными параметрами являются давления при входе и на выходе, температуры газа при входе в ГРП, массовый расход газа и температура окружающей среды.

Для определения влияния каждого из этих параметров на эксергетический КПД, может быть проведена серия расчетных исследований, в которых будет изменяться один из параметров, а остальные будут фиксированы. При этом, важно учеть особенности работы конкретного газораспределительного пункта, его технические характеристики и условия эксплуатации.

По результатам таких исследований следуют выводы о том, какие параметры наиболее критичны для достижения максимальной эффективности использования ДГА вместо дросселя.

Расчеты были проведены для природного газа с учетом следующих условий (табл.1).

Таблица 1.

Постоянные и переменные параметры расчета

В расчётах были приняты следующие исходные данные:

- плотность транспортируемого природного газа - 0,75 кг/м3;

- относительный КПД детандера - 0,85;

- температура газа до детандера принята +130°C;

-температура, теплоносителя составила +10°C;

- температура охлаждающей жидкости + 8 °C.

Механический КПД и КПД генератора ДГА в расчетах принимались равными единице.

Эксергия потока природного газа:

                                         (2)

где  - массовый расход газа, кг/с;  ,  - энтальпия газа при текущих параметрах и параметрах окружающей среды, кДж/кг;

 - температура окружающей среды, К; , - энтропия газа, кДж/(кг·К).

Рассчитаем эксергию тепла:

                                                (3)

где - подводящее тепло, кВт;

- температура подводящего тепла, К.

Рассчитаем эксергию холода:

                                                      (4)

где - отводящий поток холода, кВт;

- температура отводящего потока холода, К.

Температура потока, который направляется потребителю:

                                                                  (5)

где – максимальная температуры потока, К;

– минимальная температуры потока, К.

Рассчитаем эксергию электроэнергии по:

                                                                (6)

где – электрическая мощность, кВт. 

Результаты и обсуждения

Процесс при дросселировании газа – адиабатический. В этом случае технологический перепад давления газа после прохождения через детандер полезно не используется. Технологическая схема представлены выше (рис.1 и 2).

Влияние температуры газа на входе при разных перепадах давлений газа на выходе и входе в зависимости от эксергетического КПД ГРП с дросселем отображены в табл. 2. При дросселировании газа на ГРП увеличивается энтропии газа, что ведёт к снижению его эксергии и снижению эксергетического КПД узла. В отличие от дросселирующего устройства, при использовании ДГА происходит процесс адиабатического расширения газа, который более эффективен с точки зрения сохранения его эксергии. При этом, как уже упоминалось, важную роль играют параметры процесса, такие как давление и температура, которые могут влиять на эксергетический КПД при применении ДГА. Таким образом, при сравнении эксергетического КПД для ДГА и дросселирующего устройства на узле понижения давления, необходимо учитывать параметры процесса и их влияние на эксергию газа.

Таблица 2.

Влияние температуры газа на входе ГРП на эффективность при дросселировании 

Рассчитанные результаты для ГРП изображены на графике (рис.4).

Повышение температуры газа на входе в ГРП приводит к увеличению его энтропии на выходе из-за увеличения тепловых потерь и повышения необратимости процесса. Увеличение энтропии означает, что возрастает бесполезная составляющая энергии газа, которая нельзя использовать для выполнения работы. Следовательно, эксергия газа на выходе уменьшается.

При использовании ДГА также происходит адиабатическое расширение газа, но здесь уже учитываются параметры процесса, такие как давление и температура, которые могут влиять на эксергетический КПД. Поэтому при выборе между ДГА и дросселирующим устройством на узле понижения давления необходимо учитывать множество факторов, таких как технические характеристики, экономическая эффективность, экологические показатели и др.

Рисунок 6. Влияние перепада давления на детандере на эксергетический КПД дросселя (входное давление постоянно)

Таким образом, при сравнении эффективности использования ДГА и дросселирующего устройства на ГРП, надо учитывать множество факторов проведя комплексный анализ. На рис.5 и 6 отображено влияние перепада давлений газа на выходе и входе ГРП на эксергетический КПД дросселя. График на рис 5 имеет возрастающий характер и связано это с тем, что при увеличении сотношений давлений, снижаются потери эксергии на дросселе и растет эффективность процесса. Резкое изменение эксергетического КПД в зависимости от соотношений давлений газа наблюдается при больших температурах газа на входе в детандер (рис6).

Связано это с тем, что при высоких температурах, потери эксергии на дросселе становятся значительными, и уменьшение потерь становится более наблюдаемым.

Заключение

Таким образом, при выборе между ДГА и дросселем на ГРП, необходимо учитывать множество факторов и проводить комплексный анализ. Тем не менее, проведенный анализ указывает на то, что применение ДГА на ГРП приводит к более высокому эксергетическому КПД и экономической эффективности, чем использование дросселя.

1.Детандер - генераторная технология позволяет получить электроэнергию и холод на объектах ГРП (ГРС ), что позволяет заменить традиционные устройства понижающие давление.

2. Замена дросселя на ДГА обеспечивает увеличение эксергетического КПД ГРП более, чем в полтора раза,

3. Рассчитанный эксергетический КПД природного газа доказывает эффективность использования ДГА взамен дросселя.

Список литературы:

1. Zhi-Dong Li, Qing-Lin Cheng, You-Wang Chen, Jiang-Dong Wei, Li-Li Lv, Hao Wu, Yang Liu, Electric power generation technology of natural gas pressure reduction: Insights from black box-gray box hierarchical exergy analysis and evaluation method. // Petroleum Science 19, 2022., рр.329-338
2. Mansoor S.A., Mansoor A., Power generation opportunities in Bangladesh from gas pressure reducing stations.// In Proceedings of the 3rd International Conference on Electrical & Computer Engineering,Dhaka, - Bangladesh, 28–30 December; 2004.- p. 3-12
3. Cipollone R., Bianchi G., Battista D., Contaldi G., Murgia S. Mechanical Energy Recovery from Low Grade Thermal Energy Sources. //Energy Procedia, 45, 2014., рр.121–130
4. Mukolyants A.A., Sotnikova I.V, Ergasheva D.K., Shadibekova F.T., Taubaldiev A.A. Heating of natural gas before expander-generator unite. // Journal of Physics: Conference Series 2094, 052049, 2021, - doi:10.1088/1742-6596/2094/5/052049
5. Mukolyants A.A.,Sotnikova I.V., Ergasheva D.K., Taubaldiev A.A., Expander-generator set for utilization of natural gas overpressure energy // E3S Web of Conferences 289, 07034,2021
6. Alshammari F., Karvountzis-Kontakiotis A., Pesyridis A., Usman M., Expander Technologies for automotive engine organic Rankine cycle applications. //Energies 11, 1905,2018.
7. Klimenko A., Agababov V., Koryagin A., Petin S., Borisova P., Using an expander-generator unite in the steel mill CHP Plant for producing electricity and improving the efficiency of the compressor plant, // Steel in Translation, Vol.49, No.9,2019.- pp.587-592
8. Yaxuan X., Shuo A., Peng X., Yulong D., Li Chuan, Zh.Qunli, Ch.Hongbing. A novel expander-depending natural gas pressure regulation configuration: performance analysis.//Applied Energy 220, 21-35, 2018. - doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.026
9. Saied O., Abdellatif A., Shaaban S., Elsafty A.F., Efficient Energy Recovery Scenarios from pressure-reducing stations intended for New Al-Alamein cite in Egypt,// Energies 15, 9077,11,2022
10. Li G., Wu Yu., Zhang Ye., Zhi R., Wang J., Ma Ch., Performance study on a single-screw expander for a small-scale pressure recovery system.// Energies 10, 6; 2017, doi:103390/en10010006