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.
§
Фирма “Атлас Копко” изготавливает турбодетандеры для генерации энергии из перепада давлений на ГРС и ГРП начиная с 1975 года. Всего фирмой изготовлено более чем 5000 работающих в различных областях промышленности турбодетандеров. Фирма “Корпорация Ротофлоу”, лидер в турбодетандерной технологии, сейчас являются частью “Атлас Копко”.
Особенности проекта:
– надежные, регулируемые входные сопла управляются автоматически или вручную;
– для достижения максимальной эффективности, рабочие колеса согласованы по эксплуатационным характеристикам с прикладной задачей;
– обеспечен многочисленный выбор уплотнений вала с целью обеспечения оптимального уплотнения практически для любой прикладной задачи;
– комбинация радиальных и осевых, упорных подшипников помогает осуществить центровку и обеспечить тем самым надежную эксплуатацию. Они могут быть выполнены в виде: втулочных радиальных и винтовых, осевых, упорных подшипников скольжения; с титрованной колодкой радиальных и конических осевых, упорных подшипников скольжения или с титрованной колодкой радиальных и с титрованной колодкой конических осевых, упорных подшипников скольжения;
– динамические свойства ротора заранее определены точным математическим моделированием и анализом. Это позволяет оптимизировать подшипники и компоновку уплотнения с целью минимизации вибрации, возникающей вследствие дисбаланса и избежать подсинхронных вибраций;
– автоматическая компенсация упорных сил снижает потери энергии и уменьшает осевые, упорные перемещения, вызванные эксплуатацией на нерасчетных режимах турбоэкспандера, работающего в режиме компрессора. Предусмотрены, на выбор, гидравлическая и пневматическая системы компенсации;
– датчики контроля вибрации и скорости вращения ротора;
– предусмотрены на выбор, соответствующий прикладной задаче, корпусы литые или изготовленные из отдельных частей. Внешний вид этого турбодетандера представлен ниже на рисунке 3.
Рисунок 3 – Турбодетандер фирмы Атлас Копко
5 Турбодетандер фирмы RMG
Турбодетандер компании RMG (Германия):
– не содержит масла, нет загрязнения газа;
– технология магнитных подшипников обеспечивает длительный срок службы (20 лет);
– нулевой выброс вредных веществ от турбогенератора;
– износостойкий, не требует интервалов для технического обслуживания с использованием большого количества материалов;
– низковибрационный и малошумный, не требует звукоизоляции;
– удобен в обслуживании, подсоединен к системе телемеханики, дистанционная диагностика;
– система управления процессом для регулирования всех параметров эксплуатации;
– ротор генератора с постоянными магнитами и специальными бандажами для макс. окружной скорости до 270 м/с;
– цифровая регулировка магнитных подшипников;
– встроенное в турбину устройство для регулировки сопловых лопаток;
– непосредственная связь турбины с генератором.
Турбинное колесо: турбинное колесо проектируется непосредственно под давление газа и расход, имеющиеся в конкретной установке. Система магнитных подшипников: благодаря ей обеспечивается абсолютно износостойкое вращение ротора с незначительными потерями. Все колебания нагрузки и силы в роторе, обусловленные режимом эксплуатации, полностью выравниваются магнитным полем при помощи цифровых регулирующих устройств. Имеется аварийная система подшипников (предохранительные подшипники – шариковые). Генератор: генератор проектируется как двухполюсная синхронная машина. Ротор явнополюсный, с постоянными магнитами, охлаждается газом. Статор покрыт слоем из электротехнической листовой стали с малыми потерями. Корпус: газонепроницаем и не имеет утечек, поскольку нет выступающих валов. Охлаждается водой или газом. Частотный преобразователь и подвод питания: Выпрямление высокочастотного переменного тока в промежуточном контуре. Преобразование для питания сети в соответствии с требованиями для предприятий электроснабжения. Опция: синусоидальные фильтры, сглаживающие дроссели и фильтры радиопомех предотвращают “загрязнение сети”. В аварийных ситуациях тормозной прерыватель с внешним сопротивлением высокой нагрузки забирает остаточную энергию у системы. Важные с точки зрения безопасности функции являются составной частью измерительно-контрольного защитного устройства. Тепловые потери силовой электроники отводятся в тепловой цикл технологического процесса.
6 Турбодетандер ОАО “Турбогаз”
В СССР в период с 1981 по 1984 годы были проведены обширные исследования по выбору оптимальных схем утилизационных турбодетандерных установок на газораспределительных станциях, газораспределительных пунктах и компрессорных станциях (КС), в которых энергия избыточного давления газа преобразуется в электрическую энергию. В результате в 1986 году впервые в СССР была изготовлена утилизационная энергетическая установка УТДУ-2500 мощностью 2500 кВт для ГРС. Промышленный образец установки эксплуатируется на ГРС № 7 г. Днепропетровска с 1991 года и до настоящего времени. Эти работы проводило Всесоюзное научно-производственное объединение (ВНПО) “Союзтурбогаз”, которое было основано в 1975 году по решению Министерства газовой промышленности СССР, как головное предприятие по созданию и внедрению в отрасли передового энерготехнологического оборудования. До 1991 г. предприятие входило в состав “Газпрома”, в настоящее время ВНПО “Союзтурбогаз”, переименовано в ОАО “Турбогаз” и принадлежит Украине (г. Харьков).
7 Турбодетандер ООО “Криокор”
Много Российских компаний пробовали создать турбодетандер. Так, например, один из них, разработанный ООО “Криокор”, аналогичен проекту корпорации Ротофлоу и находится в эксплуатации с 1994 г. на ТЭЦ № 21 г. Москвы, но имеет ряд проблем, обычных для экспериментальных установок.
Турбодетандер ООО “Криокор” представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Турбодетандер ООО “Криокор”
К числу недостатков турбодетандера ООО “Криокор”, по сравнению с зарубежными аналогами, следует отнести следующее:
– регулирование давления газа за турбиной осуществляется штатными клапанами ГРП, в то время как регулятор турбины поддерживает частоту ее вращения. Это, с одной стороны, может привести к неустойчивой работе системы подачи газа на ТЭЦ, а с другой – требует существенного расхода газа через клапаны ГРП (запас на регулирование) и, следовательно, недобора мощности турбиной;
– использование водяного охлаждения электрогенератора и масла системы смазки, вместо воздушного или газового, заметно усложнило установку;
– экономичность работы турбины ниже, в особенности на частичных нагрузках;
– относительные массогабаритные показатели хуже.
Его относительно меньшая (на 20–25 %) стоимость, не компенсирует отмеченные выше недостатки. Аналогичными недостатками обладает и указанный выше турбодетандер ОАО “Турбогаз”.
8 Турбодетандер НТЦ “Микротурбинные Технологии”
Турбодетандер МДГ-20 научно-технического центра “Микротурбинные Технологии” (НТЦ “МТТ”) – это компактный агрегат, выполненный в виде единого блока, в котором скомпонованы высокооборотный электрогенератор с газодинамическими подшипниками и осевая малорасходная турбина.
Он обладает следующими техническими характеристиками:
– электрическая мощность (максимальная) – 20 кВт;
– начальное давление – 15·105 Па;
– начальная температура – 3200 К;
– конечное давление – 6·105 Па;
– расход газа – 0,320 кг/с;
– электрический КПД установки – не менее 0,7;
– диапазон изменения мощности – от 0 до 20 кВт;
– частота вращения ротора турбины – до 40000 об/мин;
– ресурс – не менее 100000 часов.
На рисунке 5 изображена конструктивная схема данного турбодетандера.
Рисунок 5 – Тепловая схема установки с турбодетандером МДГ-20
В тепловой схеме установки для получения полезной мощности на валу турбины 1 используется перепад давления газа между трубопроводами высокого и низкого давлений ГРС (на схеме не показаны). Перед подачей в турбину 1 давление газа понижается в блоке редуцирования 4 до 15 бар. Далее газ проходит через подогреватель 5, входное устройство турбины, ее рабочее колесо, выходное устройство, и поступает в магистральный газопровод низкого давления (6 бар). Механическая мощность газовой турбины используется для получения электрической мощности с помощью синхронного электрогенератора 2. Электрический преобразователь 3 (блок силовой электроники) позволяет получить на выходе агрегата необходимое напряжение переменного тока с частотой 50 Гц.
Санкт-Петербургским Государственным Политехническим Университетом (СПбГПУ) для турбодетандера МДГ-20 был разработан новый класс конструкции осевой турбинной ступени, представленной на рисунке 6.
Рисунок 6 – Осевой турбинная ступень
Ее отличительные технические особенности:
– малые углы выхода из соплового аппарата (СА);
– большие углы поворота потока в рабочем колесе (РК);
– малые углы входа в РК;
– малое, по сравнению с традиционными, число сопловых и рабочих лопаток;
– большой относительный шаг сопловых и рабочих лопаток.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из числа рассмотренных турбодетандеров производства зарубежных фирм и стран СНГ только один агрегат полностью соответствует рассматриваемой задаче – турбодетандер МДГ-20 НТЦ “МТТ” (РФ), т. к. он изначально был спроектирован и оптимизирован под нее, т. е. служить в качестве автономного источника электроснабжения ГРС. Именно поэтому для этого турбодетандера был разработан новый класс конструкции осевой турбинной ступени и использованы другие новые технические решения. Все остальные турбодетандеры были спроектированы и оптимизированы совсем под другую задачу – утилизация максимально возможного количества энергии на ГРС.
