Использование турбодетандеров для выработки электроэнергии
РЕФЕРАТ
Отчет 25 с., 6 рис., 3 источника.
ТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА, КОНСТРУКЦИЯ, КЛАС-СИФИКАЦИЯ, ТУРБОДЕТАНДЕР
Объектом исследования являются конструкции турбодетандерных установок различного класса.
Цель работы – изучения конструктивных особенностей и принципа действия различных типов турбодетандерных установок.
В работе представлена классификация и рассмотрены различные конструкции турбодетандерных установок их преимущества и недостатки.
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................... 4
1 Использование турбодетандеров для выработки электроэнергии............ 5
2 Турбодетандер фирмы АББ....................................................................... 10
2.1 Основы................................................................................................... 10
2.2 Колеса турбины и входной направляющий аппарат........................... 10
2.3 Высокооборотный генератор............................................................... 10
2.4 Уплотнение вала.................................................................................... 11
2.5 Масляная система смазки...................................................................... 11
2.6 Электронный конвертер частоты.......................................................... 11
2.7 Система управления.............................................................................. 12
3 Турбодетандер фирмы Ротофлоу.............................................................. 13
4 Турбодетандер фирмы Атлас Копко......................................................... 14
5 Турбодетандер фирмы RMG..................................................................... 16
6 Турбодетандер ООО “Криокор”............................................................... 18
7 Турбодетандер ОАО “Турбогаз”.............................................................. 19
8 Турбодетандер НТЦ “Микротурбинные Технологии”............................ 21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 24
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................... 25
ВВЕДЕНИЕ
С точки зрения энергосбережения в газотранспортной системе на сегодня весьма перспективной является утилизация энергии избыточного давления природного газа в турбодетандере. Турбодетандером называется утилизационная (т. е. не потребляющая топлива) расширительная турбина, механически связанная с потребителем ее мощности, например электрогенератором, компрессором и т. п. В газовой промышленности турбодетандеры используются для:
– пуска газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата, а также для проворачивания ее ротора при остановке (с целью его охлаждения); при этом турбодетандер работает на транспортируемом газе с выпуском его после турбины в атмосферу;
– охлаждения природного газа (при его расширении в турбине) в установках его сжижения;
– охлаждения природного газа в установках его промысловой подготовки для транспорта по трубопроводной системе (удаление влаги путем ее вымораживания и т. п.);
– привода компрессора высокого давления с целью подачи газа в пиковые хранилища;
– выработки электроэнергии на газораспределительных станциях (ГРС) системы транспорта природного газа к его потребителям с использованием в турбине перепада давлений газа между трубопроводами высокого и низкого давления. Последний из упомянутых пунктов и является предметом рассмотрения настоящего документа.
Использование турбодетандеров для выработки электроэнергии
Каждый день во всем мире огромное количество природного газа транспортируется по трубопроводам от источников до потребителей. Компрессоры большой мощности, приводимые в действие, в основном, газотурбинными двигателями, используются для сжатия газа с целью его транспортировки.
Такое же оборудование используется во многих пунктах (компрессорных станциях) по длине газопровода для компенсации потерь давления газа от трения, поддерживая, таким образом, необходимое давление газа по длине газопровода. Как только газ достигает области распределения, он, обычно, передается от газотранспортной компании к компании, которая обслуживает потребителей газа. Так как газ, обычно, транспортируется при давлении, во много раз превышающем, чем требуется конечному потребителю, то между трубопроводами транспорта газа и сетью его распределения установлены так называемые газораспределительные станции. ГРС, в основном, состоит из дроссельных клапанов и подогревателей газа. Подогреватель газа необходим для компенсации температурных потерь в дроссельных клапанах. Аналогичные устройства, называемые газораспределительными пунктами (ГРП), обычно, устанавливаются между сетью распределения газа и его конечными пользователями.
Энергия потребляется, как в процессе сжатия газа, так и в процессе его расширения. При этом потребление энергии в процессе сжатия газа происходит в результате работы, которую необходимо совершить для сжатия газа до давления в трубопроводе и поддержания этого давления на требуемом уровне в процессе его транспортировки. В процессе расширения газа на ГРС и ГРП энергия потребляется для восстановления его температуры после охлаждения в результате этого расширения.
Восстановление этой энергии на ГРС и крупных ГРП возможно путем замены дроссельных клапанов турбодетандером, что позволяет генерировать электричество или произвести другую полезную работу. Однако следует отметить, что при этом часть этой энергии должна быть затрачена на подогрев газа. Газ должен быть подогрет для предотвращения выпадения из него газгидратов в облопатывание турбины, приводящего к снижению ее надежности. Для этого необходимо, чтобы температура газа за турбиной составляла не менее 50 °С. Кроме того, необходимо, чтобы она не превышала допустимую температуру, гарантирующую надежную работу теплоизоляционного и антикоррозийного покрытий газопровода (не более 40 °С). Подогрев газа повышает его внутреннюю энергию и, тем самым, мощность турбодетандера. Повышается также КПД турбодетандера. Подогрев газа от 0 °С до 80 °С повышает мощность турбодетандера на 30–35 %.
Существует несколько типов турбодетандеров, которые могут быть использованы для указанной цели, в том числе: ротационные, поршневые, винтовые и турбинные. Последние из упомянутых являются наиболее целесообразными для газораспределительных станций, т. к. способны работать с большим количеством газа и большими перепадами его давлений.
Мощность турбодетандера зависит от количества газа, его температуры и перепада давлений.
Эта мощность может быть использована не только для выработки электричества, но и в других, указанных выше, целях.
Турбодетандеры не являются новой технологией на мировом рынке. Эти механизмы, в пределах мощностей от 1 до 6 МВт, производятся такими всемирно известными международными компаниями как AББ и Атлас Копко. Наилучший из них изготавливается в течение многих лет заводом AББ в Брюсселе и имеет мощность от 1 до 3,5 МВт. В настоящее время владельцем этого завода является Атлас Копко.
На приведенном ниже рисунке 1 изображена принципиальная схема турбодетандерной установки указанных выше фирм.
1 – турбина; 2 – электрогенератор;
3 – подогреватель газа; 4 – регулирующий клапан;
5 – регулятор давления; 6 – газопровод высокого давления;
7 – газопровод низкого давления; 8 – байпасный трубопровод;
9 – клапан; 10 – регулятор давления
Рисунок 1 – Принципиальная схема турбодетандерной установки
Природный газ поступает к установке по газопроводу высокого давления 6, проходит подогреватель 3, регулирующий клапан 4 и расширяется в турбине 1. Отдав свою энергию турбине 1, газ через газопровод низкого давления 6 поступает к потребителю. Мощность турбины 1 передается генератору 2, производящему электрический ток. Природный газ нагревается в подогревателе 3 для предотвращения выпадения из него влаги и тяжелых фракций (гидратов, пропана, бутана и т. п.). Для этого необходимо, чтобы температура газа за турбиной составляла 5 °С. Регулирующий клапан 4 турбины 1, управляемый регулятором давления 5, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа после турбины 1 в газопроводе низкого давления 7. Байпасный трубопровод 8 используется в процессе пуска установки, ее нормального и аварийного выводов из действия. В этих случаях байпасный клапан 9, управляемый регулятором давления 10, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа в газопроводе низкого давления 7. Таким образом, турбодетандеры утилизируют собственные энергетические ресурсы газотранспортной системы (полезно не используемый перепад давлений газа) и достаточно просты в эксплуатации. Однако существуют два больших препятствия для внедрения этой технологии, а именно: пригодность участка (ГРС, ГРП) для возможного размещения турбодетандера и законодательные барьеры.
Выбор ГРС (ГРП) для размещения турбодетандера важен с многих точек зрения, основной из которых является экономика. Кроме того, важными соображениями при выборе участка являются:
– доступность близлежащей электросети или другого рынка для электричества;
– требования к воздушному шуму с точки зрения удаленности от жилья;
– наличие земельного участка для размещения установки;
– величина сезонных изменений расхода и давления газа.
Одним из главных соображений в анализе возможности производства электричества на ГРС является законодательная область. Существует три основных типа компаний, которые могут участвовать в рассматриваемой технологии, причем все они, в большей или меньшей степени, законодательно регулируются. Первым из упомянутых типов является газотранспортная компания, деятельность которой регулируется Федеральным регулирующим органом. Вторым – газораспределительная компания, деятельность которой регулируется местным (город, область, регион, и т. д.) регулирующим органом. Третьим – энергетическая компания, деятельность которой может регулироваться как Местным, так и Федеральным регулирующими органами. Это регулирование может определять тип бизнеса, которым может заниматься компания. На первый взгляд, энергетическая компания является наиболее логичным покупателем произведенного на ГРС электричества, однако на нее могут влиять множество факторов. Например, если эта компания имеет достаточную мощность для обеспечения потребителей электричеством, маловероятна, что она будет покупать его у газовой компании. С другой стороны, Федеральный закон заставляет ее покупать электроэнергию от нетрадиционных источников, но реально, на практике, он пока работает плохо. Таким образом, каждый конкретный случай должен рассматриваться с указанной точки зрения. Только в одной России существуют многие тысячи ГРС и ГРП, но далеко не все из них подходят для рассматриваемой технологии. По оценкам специалистов на территории РФ существует всего около 600 объектов – ГРС и ГРП, располагающих условиями для строительства и эксплуатации турбодетандерных агрегатов, которые могут выработать до 15 млрд. кВт·ч электроэнергии в год. Вместе с тем, все ГРС нуждаются в электроснабжении для собственных нужд.
Турбодетандер фирмы АББ
Основы
Созданный компанией AББ турбодетандер обеспечивает высокую безопасность эксплуатации, полностью автоматическое, безвахтенное обслуживание и высокую экономичность на полной и частичной нагрузках. Этот турбодетандер характерен интеграцией турбины и генератора на одном валу в одном, общем кожухе. Он, в основном, состоит из высокоскоростной, центростремительной турбины с двумя колесами и индукционного генератора, установленного на валу между указанными колесами, которые размещены вместе с ним в общем, герметичном, устойчивом к давлению кожухе. Для снижения частоты тока за генератором установлен электронный регулятор, который обеспечивает поддержание напряжения, силы и частоты тока, совместимые с электрической сетью. Таким образом, обычная механическая коробка передач заменена электронным конвертером частоты.