УДК 622.691 Айрапетов Е.А. студент 3 курса факультета трубопроводного транспорта «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Российская Федерация, г. Уфа Леонтьев Е.А. студент 3 курса факультета трубопроводного транспорта «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Российская Федерация, г. Уфа Научный руководитель: Смородова О.В. канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Российская Федерация, г. Уфа РЕГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ ГПА НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ Аннотация: Одним из самых энергоёмких процессов в магистральном транспорте газа является компримирование. Основной проблемой является повышенный расхода топливного газа в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) и в безвозвратной потере вторичных энергоресурсов в виде рассеивания тепла продуктов сгорания. В данной статье подробно рассмотрен метод регенерации теплоты уходящих газов, позволяющий увеличить коэффициент использования топлива в газотурбинных установках (ГТУ), а также показаны основные типы регенератов, используемых в настоящее время. Ключевые слова: ГТУ, ГПА, камера сгорания, компрессор, регенерация теплоты, регенераторы. __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru Airapetov E.A. 3rd year student of the Faculty of Pipeline Transport "Ufa State Oil Technical University" Russian Federation, Ufa Leontyev E.A. 3rd year student of the Faculty of Pipeline Transport "Ufa State Oil Technical University" Russian Federation, Ufa Scientific adviser: Smorodova OV Associate Professor of the Department "Industrial power system" "Ufa State Oil Technical University" Russian Federation, Ufa HEAT RELIEF HEAT GAS REGENERATION AT COMPRESSOR STATIONS Abstract: One of the most energy-intensive processes of a gas pipeline is compression. The main problem is to increase the consumption of fuel gas in gas pumping units (HPA) and in the irretrievable loss of secondary energy resources in the form of heat generation of combustion products. This article discusses in detail the method of recovery of flue gases, which allows you to increase the use of fuel in gas turbine plants (GTU), and also shows the main types of currently used regenerants. Keywords: gas turbine installation, gas compressor installation, combustion chamber, compressor, heat recovery, regenerators. По мнению многих экспертов газовой отрасли, энергоемкость процесса транспортировки газа по существующим газопроводам в России выше, чем в США и странах Европы на 50-70%. Исходя из этого, повышение энергоэффективности транспорта газа, за счет снижения расхода газа на __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru собственные нужды является наиболее значимой проблемой. К примеру, в России около 4000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с суммарной мощностью 44,2 ГВт , и из них около 85 % ГПА имеют привод от газотурбинных установок (ГТУ) с КПД всего 23-35%. По подсчётам специалистов, около 1,2 – 1, 3 млн ГДж тепла в год (температура выхлопных газов достигает 500 ºС) выбрасывается в атмосферу. Рационально используя данное тепло, можно было бы обеспечить около 5 тысяч необходимой России электроэнергии. Основным недостатком газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом считается повышенный расход топливного газа в ГПА, который может достигать величины порядка 80-90% от общих расходов топлива на КС. На рисунке 1 представлены ориентировочные значения годового расхода природного газа на компрессорной станции. Потери 4% Котельные 1% Технологические нужды 1% ГПА 94% Рисунок 1– Структура потребления природного газа на собственные технологические нужды на примере газотранспортного предприятия ООО «Газпром трансгаз Чайковский» Также, по данным научно технического совета ПАО «Газпром» показатели парка ГПА по установленной мощности и КПД за последние годы можно охарактеризовать с помощью рисунка 2 . Рассмотрим простейшую схему газотурбинной установки (ГТУ), в которой продукты сгорания, покидающие газовую турбину через дымовую трубу, попадают в атмосферу, имея высокую температуру, порядка 400-500˚С. Таким __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru образом, теплота рабочего тела теряется безвозвратно вследствие рассеяния энергии. В связи с этим представляется целесообразным использовать хотя бы часть уходящей теплоты. Данная проблема может быть решена различными способами – тепловые вторичные энергоресурсы на ГТУ могут эффективно использоваться: утилизаторами ГПУ для теплофикационных нужд не только самой площадки КС, но и внешних потребителей в отопительный период, с получением горячей воды и паров в компактных автоматизированных котлах и сушильных установках, устанавливаемых непосредственно в технологических цехах, что в свою очередь позволяет повысить коэффициент использования топлива до 45%. Однако в зимний период они, как правило, используются не в полном объеме установленной мощности, а в межотопительный период утилизаторы приходится отключать; утилизаторами ГПУ для выработки дополнительной электрической и механической энергии. Рисунок 2 – Изменение показателей газотурбинных установок Одним из способов повышения энергоэффективности ГПА является совершенствование схемы ГТУ, посредством введения в нее регенерации теплоты уходящих газов, что в свою очередь снижает расход топлива по __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru установке в целом. К примеру, КПД газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом практически никогда не превышает 30 %, а потери теплоты с уходящими газами, при этом, составляют порядка 55 – 80 % от подводимой с топливом энергии. Исходя из этого, можно сказать, что регенеративный подогрев циклового воздуха, поступающего в камеру сгорания ГТУ после компрессора, является наиболее эффективным способом использования теплоты уходящих газов. Регенерация теплоты в ГТУ заключается в подогреве воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания, отработавшими газами турбины. Рассмотрим схему ГТУ с использованием регенерации теплоты уходящих газов (рисунок 3). 1 – камера сгорания; 2 – осевой воздушный компрессор; 3 – регенератор; 4 – газовая турбина; 5 – электрогенератор; 6 – топливный насос; 7 – топливный бак. Рисунок 3 – Схема ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов Из компрессора 2 воздух переходит в регенератор 3, где посредством теплопередачи от отработавших в турбине 4 газов нагревается, а затем поступает в камеру сгорания 1. Благодаря подогреву воздуха в регенераторе 3 уменьшается количество теплоты, которое необходимо подвести к нему в камере сгорания 1 для достижения заданной максимальной температуры цикла. __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru В регенераторе температура воздуха повышается на 180–250°С, тем самым уменьшается расход топлива, необходимого для подогрева воздуха в камере сгорания, энергоэффективность ГТУ возрастает по сравнению с простой ГТУ. Отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Эффективность данного процесса определяется таким показателем, как степень регенерации – отношение количества теплоты, переданного воздуху, к количеству теплоты, которое могло бы быть передано ему при охлаждении газов до температуры воздуха на выходе из компрессора. На практике коэффициент регенерации φ оценивает фактическое повышение температуры воздуха (𝑡𝜑 − 𝑡𝑐 ) к предельно возможному (𝑡𝑠 − 𝑡𝑐 ) и определяется через температуры газа и воздуха: 𝜑= 𝑡𝜑 − 𝑡𝑐 , 𝑡𝑠 − 𝑡𝑐 где 𝑡𝜑 − температура воздуха после нагрева в регенераторе; 𝑡𝑠 − температура продуктов сгорания на выходе силовой турбины; 𝑡𝑐 − температура воздуха на выходе компрессора. В реальных ГТУ степень регенерации изменяется в пределах 0,65‒0,85. В настоящее время наиболее популярны два типа конструкций регенераторов: пластинчатые и трубчатые. Наибольшее распространение получили трубчатые регенераторы, поверхность нагрева в которых образована большим числом трубок. Так как воздух в регенераторе находится под более высоким давлением, чем отработавшие газы, то по условиям прочности обычно воздух пропускается внутри трубок, а газы омывают трубки снаружи. При этом напряжения в корпусе получается невысокими. Для сравнения, составим таблицу технических характеристик трубчатых регенераторов ГТУ, изготовленных разными заводами (таблица 1) __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru Таблица 1 – Основные технические характеристики трубчатых регенераторов ГТУ Характеристика Мощность ГТУ, кВт Расход воздуха, кг/с Степень регенерации Температура воздуха на входе, °С Средняя температура воздуха, °С Температура газа на входе, °С Средняя температура газа, °С Диаметр трубок , мм Число трубок Поверхность нагрева, м2 Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С) British Thompson Houston 2500 31, 8 0,65 205 254 400 337,5 27 4350 1730 37,8 Завод-изготовитель British General Thompson Electric Houston* 880 5000 13,6 32,6 0,51 0,75 192 – 242,5 270 398 – 343,5 337,5 25,4/21,3 24,4/20,9 576 5000 316 2430 43,0 45,0 НЗЛ 1500 28,2 0,72 164 254,5 407 318,5 25/22 6032 1313 61,6 Примером пластинчатого регенератора является регенератор ГТУ ГТК – 10 – 4 НЗЛ. Он подключается в схему ГТУ параллельно по газам и воздуху, и состоит из двух секций (левой и правой – по ходу газов), симметрично размещенных относительно ГТУ . Основа конструкции — два блока по три теплообменных матрицы, составленных из профильных листов и образующих с корпусом сварную неразборную конструкцию. Блоки матриц разделены воздухораспределительной камерой. Пластинчатые регенераторы также выпускаются различными заводами как в России, так и за границей. Можно также составить таблицу технических характеристик различных конструкций регенераторов (таблица 2) __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru Таблица 2 – Основные технические характеристики пластинчатых регенераторов ГТУ Характеристика Мощность ГТУ, кВт Расход воздуха, кг/с Степень регенерации Давление воздуха, кгс/см2 Давление газа, кгс/см2 Температура воздуха на входе, °С Средняя температура воздуха, °С Температура газа на входе, °С Средняя температура газа, °С Поверхность нагрева, м2 Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.°С) Air Preheater 5000 30,6 0,75 5,2 1,05 214 – 448 – 1740 63,6 Завод-изготовитель НЗЛ English Electric ГТК-10-4 ГТ-700-5 3000 л. с. 6000 5000 19,1 55 45 0,6 0,8 0,75 4,9 2,45 3,85 1,0 1,12 1,03 – – 175 295 157,5 285 – 350 468 422,5 222,5 362,5 426 3400 1410 59,3 58,5 130,8 Также стоит отметить, что трубчатые регенераторы имеют более легкую технологию изготовления, более просты в ремонте и эксплуатации, именно благодаря этому они получили более широкое распространение, в сравнении с пластинчатыми. Стоит отметить, что использование метода регенерации уходящих газов приводит к увеличению веса и габаритов ГТУ из-за наличия массивного регенератора, поэтому такие ГТУ являются в основном стационарными и занимают большие площади пространства. Применение рассмотренного в статье метода регенерации теплоты уходящих газов ГПА позволяет снизить расход топливного газа и уменьшить потребляемую мощность газотурбинной установки, тем самым повысив показатели энергоэффективности компрессорной станции в целом. Список использованных источников: 1. Ахмадеев Р.Ф., Вахитова Э.Б. Утилизация теплоты уходящих газов в летний период // Аллея Науки. – 2017. Т. 1. № 9. Стр. 88-97. 2. Десяткин Д.П. Гайфутдинов Р.Р Утилизация тепла уходящих газов // Аллея Науки. – 2018. Т. 2. №5. Стр. 55-72. __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru 3. Дашкин Р.Х., Душанбаев Т.А. Регенерация теплоты уходящих газов ГПА на компрессорных станциях// Аллея Науки. – 2018. Т. 4. № 8(24). Стр. 4955. 4. Байков И.Р., Кузнецова М.И., Китаев С.В. Повышение степени использования теплоты уходящих газов газотурбинных установок в магистральном транспорте газа//Нефтегазовое дело. 2016. Т.14. №1. С.106-110. 5. Теплообменное оборудование – Регенераторы – Сводная спецификация [Электронный ресурс]. – URL : http://www.aviagc.ru/site/24 6. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов – М.: Нефть и газ, 1999.— 463 с. __________________________________________________________________________ «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №10(26) 2018 Alley-science.ru
