ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ ГАЗА

АННОТАЦИЯ

В последнее время во многих станах нашла применение детандерная технология, которая заключается в производстве электроэнергии с помощью детандер-генераторных агрегатов (ДГА). Использование энергии избыточного давления природного газа для выработки электроэнергии при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА), позволяют повысить эффективность генерации энергоносителей при преобразовании энергии высокого давления транспортируемого природного газа. Технологии подогрева газа перед ДГА повышают эффективность работы установки. Для оценки эффективности этой технологии в статье проведено сравнение схем ДГА без подогрева и с подогревом газа. Анализ показал, что температура подогретого газа перед детандером влияет на эксергетический КПД ДГА, а применение теплообменника подогревающего газ перед ДГА приводит к увеличению эксергетического КПД. В результате анализа определен характер влияния температуры подогрева газа перед детандером на термодинамические показатели ДГА. Эффективный КПД составляет от 0,75 до 0,8.

ABSTRACT

The use of overpressure energy of natural gas to generate electricity using expander generator units (EGU), can increase the efficiency of energy generation when converting high-pressure energy of transported natural gas. Gas preheating technologies in front of the EGU increase the efficiency of the installation. To assess this efficiency, the article compares the schemes of the gas heating system without heating and with gas heating. The analysis showed that the temperature of the heated gas in front of the expander affects the exergetic efficiency of the EGU, and the use of a heat exchanger heating the gas in front of the DGA leads to an increase in exergetic efficiency. As a result of the analysis, the nature of the influence of the gas heating temperature in front of the expander on the thermodynamic parameters of the EGU was determined. The effective efficiency ranges from 0.75 to 0.8.

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

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

Введение

Одним из направлений энергосбережения для газораспределительных систем является использование турбодетандерного агрегата (ДГА). Технология эксплуатации детандер-генераторных агрегатов (ДГА), как доказали многие исследования в этой области [1,2,3], относится к энергосберегающим [4] и позволяет использовать энергию, которая, как правило, теряется при понижении давления газа на газораспределительных станциях и особенно, на предприятиях, которые используют природный газ как топливо (теплоэлектростанциях) [5,6]. В статье [7] исследована энергоэффективность различных схем использования энергии избыточного давления природного газа в детандерно-генераторных установках, установленных перед газопоршневыми двигателями в когенерационных котельных. Рассмотрены схемы с подогревом газа перед детандером и без него. Показано, что наибольший энергетический эффект схема с подогревом газа перед детандером будет иметь при температуре наружного воздуха до значения, соответствующего равным значениям удельной экономии топлива и с отключением подогрева газа при более высоких температурах воздуха.

Ранее проведенный авторами статьи анализ реализации технологии ДГА для выработки электроэнергии позволил выявить существенные преимущества и особенности применения этой технологии [8,9,10]. ДГА имеют ряд существенных особенностей в качестве устройств для преобразования энергии:

1. Высокая эффективность: ДГА обладают высокой эффективностью работы благодаря тому, что они используют энергию, которая обычно теряется при снижении давления газа в системах газоснабжения.

2. Малые габариты и вес: ДГА компактны и легки, что облегчает их установку и эксплуатацию.

3. Малый уровень шума: ДГА производят мало шума, поскольку они не используют взрывную силу, как это происходит, например, при работе двигателей внутреннего сгорания.

4.Экологически безопасные: ДГА позволяют уменьшить выбросы парниковых газов и других вредных веществ в окружающую среду. Это происходит за счет снижения сжигания дополнительного количества топлива.

5. Универсальность: ДГА могут работать на природном газе, нефтяных газах, биогазе и других газах с пониженным давлением.

В целом, ДГА являются эффективными устройствами для преобразования энергии, которые могут быть использованы на различных промышленных объектах газовой промышленности.

Способ подогрева газа, обычно, осуществляется с помощью теплообменников, использующих теплоту обратных газов от ДГА или теплоту выхлопных газов с турбин газовых электростанций (ТГЭС). Однако, это приводит к увеличению расхода топлива для обеспечения нужной температуры газа перед входом в детандер.

Для минимизации потерь топлива в системе подогрева газа перед ДГА можно использовать различные технологические решения, такие как сжигание отходов или использование тепловых насосов [6].

При увеличение расхода топлива при подогреве газа перед ДГА, использование ДГА на крупных энергетических объектах позволяет повысить эффективность работы электростанций, снизить затраты на производство электроэнергии и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу [5,6].

Подогрев природного газа до и после детандера также может быть эффективным решением для определенных условий [8,9,10]. Подогрев газа до детандера может помочь увеличить его температуру и давление, что, в свою очередь, повысит КПД установки. Подогрев газа после детандера может использоваться для дополнительной генерации электроэнергии и повышения эффективности системы в целом. Однако, необходимо учитывать, что такой подогрев газа может потребовать дополнительных затрат на оборудование и эксплуатацию.

Несмотря на достаточное количество в данной области, имеются некоторые нерешенные вопросы. Такие как необходимость учета местных условий и особенностей эксплуатации газораспределительных станций, анализ температурного режима и т.д.

 Поэтому, целью данной статьи является сравнение и сопоставление работы ДГА без подогрева и с подогревом газа, анализ температурного режима и его влияние на эффективность работы установки.

Для достижения поставленной цели необходимо рассмотреть и провести анализ работы схем установок с отсутствием подогрева газа перед детандером и схема с ДГА с подогревом газа перед детандером.

Методология исследований

В процессе исследований использованы следующие общелогические методы: анализ, сравнение, системный подход, сопоставление однородных объектов по существенным для данного рассмотрения признакам, методы статистической обработки данных.

Были проанализированы две схемы установок:

Схема 1. Отсутствие подогрева газа перед детандером.

При отсутствии подогрева газа перед детандером температура и энтальпия его будут ниже, чем при эксплуатации дросселя.

Кроме того, энергия, которая ранее была внутри газа в форме внутренней энергии, будет преобразована в механическую энергию, которая может быть далее использована в генераторе для производства электрической энергии. Это позволяет эффективно использовать энергию транспортируемого газа и повышает экономическую эффективность использования ДГА на газораспределительных станциях.

Использование ДГА на газораспределительных станциях может привести к более высокому эксергетическому КПД и эффективному использованию энергии транспортируемого газа. Также это позволяет производить электрическую энергию на ГРП для собственного потребления или передавать ее потребителям.

Схема № 2 . Подогрев газа перед детандером

Газ, входящий на ГРП перед детандером подогревают в теплообменнике и вся подведенная энергия преобразуется в детандере в механическую. С повышением температуры природного газа на входе в ДГА, эксергетический КПД ГРП будет зависить от температуры теплоносителя нагревающего газ перед детандером. Кривая зависимости изменения КПД, в этом случае, описывается полиномиальной функцией k-й степени.

Температура подогретого газа перед детандером влияет на эксергетический КПД ДГА, а применение теплообменника подогревающего газ перед ДГА приводит к увеличению эксергетического КПД.

Результаты и обсуждения

Полученные результаты расчетов для схемы ДГА при отсутствии подогрева газа представлены в таблице 1, а на рис.1 изображен график влияния температуры входящего газа на эксергетический КПД установки.

Таблица 1.

Эффективность ДГА без подогрева потока газа на ГРП в зависимости от температуры газа на входе

 Рисунок 1. График зависимости эксергетического КПД ДГА от температуры газа (отсутствие подогрева газа)

а)                                                                       б)

Рисунок 2. Влияние перепада давлений газа (давлении на выходе постоянно (а) и давление на входе постоянно (б)) на изменение эксергетического КПД ДГА

Из рис.1 видно, что рост температуры газа до ДГА (при отсутствии подогрева), увеличивает эксергетический КПД ГРП за счёт выработки электроэнергии. При этом также необходимо учитывать другие факторы, такие как параметры процесса, технические характеристики, экономическая эффективность и экологические показатели, при выборе наиболее рационального решения для конкретного проекта.

На рис.2 и 3 показаны кривые зависимости для температур газа на входе - 10°С и +15°С. Кривые зависимости имеют возрастающий характер, и связаны с перепадом давлений газа на ГРП. Схема №2. Подогрев газа перед детандером

Газ входящий на ГРП перед детандером подогревают в теплообменнике и вся подведенная энергия преобразуется в детандере в механическую. С повышением температуры природного газа на входе в ДГА, эксергетический КПД ГРП будет зависить от температуры теплоносителя нагревающего газ перед детандером. Кривая зависимости изменения КПД, в этом случае, описывается полиномиальной функцией k-й степени.

В связи с чем, температура подогретого газа перед детандером влияет на эксергетический КПД ДГА, а применение теплообменника подогревающего газ перед ДГА приводит к увеличению эксергетического КПД.

Исследованы и рассчитаны результаты для двух вариантов.

1. Для первого варианта: температура теплоносителя, нагревающего газ перед детандером, находится в интервале от 10 до 130°С (рис.3).

Полученные результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Эффективность ДГА с подогревом потока газа перед детандером на ГРП в случае изменения температуры теплоносителя в зависимости от температуры подогрева газа

Рисунок 3. Влияние температуры подогрева газа на эксергетический КПД ДГА

На интервалах, где эксергетический КПД уменьшается, чем больше перепад давления на входе и выходе, тем скорее происходит и его убывание. Это связано с тем, что при больших значениях перепада давлений, потери эксергии на дросселирование становятся более заметными и ухудшают эксергетический КПД ГРП. Для достижения наибольшего эксергетического КПД, необходимо выбирать оптимальный режим работы ДГА, учитывая температуру подогрева газа, соотношения давлений выхода и входа газа.

Анализируя влияние каждой составляющей потока эксергии на конечный результат, необходимо учесть, что:

• Эксергия газа на входе в ГРП зависит от свойств газа и его температуры.
• Эксергия газа при выходе из узла понижения давления зависит от свойств газа на выходе, давления и температуры.
• Эксергия полученной электроэнергии зависит от параметров генератора и его КПД.
• Эксергия подведенного к газу тепла зависит от его температуры и других параметров теплообменника.

Влияние температуры подогрева газа на изменения эксергий на входе и выходе ГРП изображено рис. 4.

а)                                 б)

Рисунок 4. Изменение эксергий на входе а) и выходе б)

Eгвх - эксергия газа на входе; Eгвых - эксергия на выходе; N – выработанная электроэнергия на генераторе ДГА

Анализируя графики зависимости эксергетического КПД от температуры подогрева газа до детандера можно выделить изменение каждой составляющей потока эксергии и их влияние на конечный результат.

В табл.3. представлены численные значения результатов.

Таблица 3.

Влияние подогрева потока газа до детандера на изменение эксергий при входе и выходе из узла понижения давления

Эксергия электроэнергии увеличивается, по причине увеличения энергии газа до детандера и, поэтому, увеличивается количество доступной внутренней энергии газа для преобразования в детандере в механическую, (рис. 4), где видно, что минимум разницы суммарных эксергией на входе и выходе из установки располагается в границах между 20 и 60°C. Также на рис. 5 видно, что при малых значениях температуры рост эксергии на выходе выше, чем на входе. График на рис. 7 показывает, что меньшему давлению газа на входе, соответствует и низкая температура подогрева потока газа перед детандером.

 Рисунок 7. Изменение максимальных значений эксергетического КПД при разных перепадах давлений газа на ГРП

Следовательно, необходимым решением является использование низкотемпературных тепловых источников для подогрева газа до детандера, если на выходе требуется постоянное давление. Это позволяет достичь максимального эксергетического КПД, что повышает эффективность работы установки и позволяет сэкономить энергию.

Заключение

Проведен сравнительный анализ эффективности бестопливной установки при генерации электроэнергии с использованием разработанной схемы на ГРП. В результате определен характер влияния температуры подогрева газа перед детандером на термодинамические показатели ДГА. Эффективный КПД составляет от 0,75 до 0,8.

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. 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
3. Venkata Seshendra. A theoretical investigation of efficiency enhancement in thermal power plants.// J. Modern mechanical engineering, 2012,2 pp. 106-113
4. 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
5. 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,
6. 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.
7. Arzamascev A.G., Sharapov A.I., Peshkova A.V. Analysis of the efficiency of circuits using natural gas additional energy potentials on cogenerating boiler houses with internal combustion engines.//International journal of innovative technology and exploring engineering (IJITEE), Volume 8, Issue-9S3, July 2019.
8. 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.
9. 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
10. Кан Э.К., Мукольянц А.А., Норматов Б.Б. Оценка эффективности применения детандер-генераторных агрегатов вместо дросселя на газораспределительных системах.// Universum: Технические науки, 5(22), 2024, часть 7, стр.42-49.