Енергозбереження

        Енергетики сьогодні можуть одержати прекрасну можливість істотного збільшення власних потужностей, можливість виробляти додаткові десятки, сотні мегаватів електроенергії.

        У газових магістралях природний газ транспортується під тиском 35-55 атмосфер в залежності від віддалення від компресорної станції. Настільки високий тиск газу в магістралях приймається з чисто економічних розумінь з метою досягнення оптимального співвідношення між пропускною здатністю газопроводу і витратою енергії на перекачування газу. Для споживачів такий тиск газу зовсім не потрібно. Тому місцеві міські системи газопостачання мають стандартні тиски газу 12, 6 і 3 атмосфери, а в споживчі апарати природний газ подається з тиском 1-2 атмосфери.

        При існуючих практично у всіх країнах системах газопостачання зниження тиску відбувається в двох ступенях. У першій з них ( в Україні це – ГРС) тиск газу знижується до 3-12 атмосфер. В другій ступіні (в Україні -  ГРП) тиск газу знижується до 1-2 атмосфер.

        Зниження тиску газу від магістралі до споживача в даний час на всіх ступінях здійснюється шляхом дроселювання з повною втратою надлишкової механічної енергії, раніше витраченої на стиск газу в компресорах. Як показують розрахунки, величина цієї втрати в середньому складає близько 77 Вт/м3. Це означає, що, наприклад, при річному споживанні газу порядку 16 млрд Нм3, загальна втрата енергії від дроселювання газу перевищує 1,2 млрд кВтч у рік, а в розрахунку на паливо 147 тис. тонн умовного палива в рік.

        Успіх у практичному рішенні цього питання значною мірою буде залежати від вдало обраної технології перетворення надлишкової механічної енергії природного газу.

Технологія перетворення надлишкової механічної енергії  стиснутого природного газу.

        Як показує аналіз і порівняно невеликий досвід утилізації механічної енергії стиснутого природного газу в системах газопостачання Росії та Білорусії, більше всього для цієї мети підходять турбодетандерні агрегати.

       Запропоновані ще в 1938р. академіком П. Л. Капіцей турбодетандери відрізняються простотою виготовлення, дешевиною і легкістю обслуговування. По конструкції вони являють собою одно- чи багатоступінчасту турбіну з нерухомими направляючими соплами і рухливими лопатками, розташованими на обертовому роторі (мал.1). Будучи з'єднаними з електрогенератором вони дозволяють одержувати електроенергію і промисловий холод.

        Принцип роботи заснований на тому, що газ з магістрального трубопроводу подають у детандер під високим тиском, він розширюється там і виходить з низьким тиском. Коли газ розширюється, його температура знижується, тому що він віддає при цьому теплову енергію. За рахунок зміни енергії газу відбувається робота: впливаючи при розширенні на соплові лопатки турбіни, газ змушує обертатися її вал. Лопатки перших двох ступіней виконані поворотними, що дозволяє при зміні тиску газу підтримувати номінальним його витрату в турбіні і тим самим стабілізувати вихідну потужність детандера. Вал турбіни зв'язаний з валом електрогенератора, чим і утворюється детандер-генераторний агрегат. Таким чином, енергія стиснутого газу, що викидалася колись в атмосферу, тепер перетвориться в електричну енергію без яких-небудь витрат палива. Газ же низького тиску з турбіни направляється споживачу.

Мал.1 Технологічна схема  турбодетандерної установки:

1 — перша ступінь турбодетандера; 2 — сепаратор (пропан + бутан + вода) — газ; 3 — друга ступінь  турбодетандера; 4 — електрогенератор; 5, 6 — теплообмінники-холодильники; 7 — сепаратор (пропан + бутан)  — вода; 8 — розділова перегородка  турбодетандера.

       Відмінною рисою детандер-генераторних агрегатів є те, що газ перед детандером повинен бути підігрітий до такої температури, щоб на виході з детандера температура газу була не нижче 0º С. Це зв’язано з забезпеченням нормальних умов роботи як самого детандера, так і газових трубопроводів.

       Газ перед детандером підігрівається, як правило, до 80…120ºС. Для підігріву газу на ДГА, встановлених на станціях пониження тиску (ГРС або ГРП), звичайно застосовують теплообмінники, в котрих середовищем, що гріє являється вода, нагріта в котлах. Але це є недоліком установки, так як для цього в котлах потрібно спалювати органічне паливо, що негативно впливає на екологію. Позбутися цього недоліку можливо, використовуючи для підігріву газу перед детандером теплонасосну установку (ТНУ). При цьому енергія для обертання компресора теплонасосної установки подається від електрогенератора детандер-генераторного агрегата.

       Таким чином, біля 30% виробленої генератором електроенергії іде на забезпечення роботи теплонасосної установки, а 70% електроенергії – може бути віддано в зовнішню мережу або використано для покриття власних потреб підприємства.

       Ефективність роботи турбодетандера можна оцінити на прикладі зстосування данної установки на ГРС “Східна”, що знаходиться в м. Мінськ.

       На ГРС “Східна” природній газ дроселюється з початкового розрахункового тиску 55 атмосфер до 12 атмосфер в першій ступені та 6 атмосфер в другій. Проектна витрата газу через ГРС складає 2.38 млрд.Нм3 в рік. Принято, що через турбодетандерну установку буде пропускатись не більше 70% річного газового потоку в цілях забеспечення порівняно рівномірної її загрузки на протязі доби з приближенням до базового режиму.

        Попередні розрахунки показали, що на ГРС“Східна”  може бути встановлена двухблочна турбодетандерна установка з загальною встановленою електричною потужністю 10 МВт.

        В процесі експлуатації данної установки було встановлено, що запропонована турбодетандерна установка виділяється високою економічністю, потребує в 5 разів менше затрат та забезпечує річну економію паливних ресурсів природного газу в розмірі не менше 25 тис. тон умовного палива.

        В Україні на даний момент потенційна енергія газу при пониженні тиску на ГРС для виробництва електроенергії не використовується. Використовують турбодетандери з 1971 р. в установках низькотемпературної сепарації газу для виділення вуглеводневого конденсату при осушуванні газу на промислах.

        Україна має достатній науково – технічний потенціал, відпрацьовані технології та виробничі потужності, які можуть забезпечити розробку та виробництво високоефективних турбодетандерних установок різної потужності, будівництво та експлуатацію електростанцій. Так виробничі потужності ВАТТ “ІВП”ВНІПІТРАНСГАЗ” (м. Київ) ,  АО “Мотор Січ “ (м. Запоріжжя), ВО”Енергія” та АО “Констар”(м. Кривий Ріг) дозволяють виробляти турбодетандерні установки потужністю 0,1…6 МВт, як для внутрішнього, так і для зовнішнього ринків.

         Так, враховуючи позитивний досвід експлуатації турбодетандерів на промислах, було розроблено і виготовлено в 1991р. турбодетандерну установку УТДУ-2500 для вироблення електроенергії на ГРС. Фактична середньодобова електрична потужність її становить 2050 кВт при номінальній потужності 2,5 МВт. В УТДУ-2500 застосовано п’ятиступеневу розширювальну турбіну з ККД 0,8.

         Для використання енергії надлишкового тиску паливного газу газоперека-чувальних агрегатів на компресорних станціях розроблено установку УКС-2-300, де застосовується одноступенева радіальна турбіна з генератором потужністю 300 кВт.

         Для газорегулювальних пунктів( ГРП) в 1992р. розроблено детандер-генераторний агрегат ДГА-5000 потужністю 5 МВт. Два таких агрегати працюють на ТЕЦ-21 Мосенерго.

         У 2000р. розроблено і виготовлено турбодетандерну електростанцію ЕТД-1000 для вироблення електроенергії на ГРС. Парший зразок ЕТД-1000  потужністю 1 МВт в ході реалізації “Програми розвитку енергетики на базі когенераційних технологій” вже монтується  на ГРС-1 м. Запоріжжя, пуск передбачено на кінець 2002 р.

         У 2001 р. розроблено і виготовлено дослідній зразок турбодетандерного агрегату з принципіально новим приводом – струминно – реактивною турбіною. Проводиться розробка параметричного ряду турбодетандерів з струминно – реактивними турбінами в діапазоні потужності 50 – 500 кВт. Ця розробка може суттєво розширити область використання скидного енергопотенціалу за рахунок використання ТДУ невеликої потужності.

          В 2001 р. , на замовлення Держкоменергозбереження, Інститутом електродинаміки НАН України було проведено аналіз енергетичного потенціалу надлишкового тиску природнього газу в газотранспортних мережах областей України ( в якому взято до уваги розроблене ВАТТ “ІВП”ВНІПІТРАНСГАЗ” техніко – економічне обгрунтування використання утилізаційних турбодетандерних установок різної потужності на газорозподільчих станціях (ГРС), газорегуляторних пунктах (ГРП) та котельних установках, а також визначений перелік об’єктів першочергового впровадження цих установок), згідно якому першочергова потреба в утилізаційних турбодетандерних установках (з утилізаторами холоду) буде складати: потужністю до 0,1 МВт – 2000 шт.; потужністю 1,0 МВт – 30 шт.; потужністю 2,0 МВт – 14 шт.; потужністю 6,0 МВт – 42 шт. В Україні розміщено 1100 ГРС і ще більше ГРП. До 500 ГРС можна забеспечити турбодетандерними електростанціями. Сумарна потужність утилізаційних турбодетандерних установок може скласти більше ніж 500 МВт.

       Держкоменергозбереження вважає, що використання потенційної енергії надлишкового тиску природнього газу  в газотранспортних мережах, як один із засобів когенерації, являється одним із перспективних напрямків рекуперації енергії, яка цілком відповідає політиці енергозбереження в Україні та задачі Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро- та теплоенергетики.

       При експлуатації турбодетандерних установок, крім економічних складностей, існують також технічні та організаційні ( утворення газогідратів, проблеми з використанням значної кількості холоду, який отримується при роботі ТДУ, необхідність попереднього підігріву газу перед подальшою подачеюйого в трубопровід, а також зміни в об’ємах та режимах обслуговування установок і т. д.). Враховуючи це,   доцільно проводити введення когенераційних технологій поступово, на тих об’єктах, де це економічно доцільно та підтверджено ретельним техніко – економічним розрахунком, з одночасною наробкою досвіду єксплуатації цих установок.

        Крім того, в діючих на сьогодні Правилах користування електричною енергією на жаль не передбачені взаємовідносини між  електропередаючими, електропостачальними організаціями та суб’єктами господарювання, які бажають працювати в когенераційних режимах. На практиці, враховуючи режими роботи ГРС, це приводить до незгодженості  технології передачі виробленої ТДУ електроенергії до загальної мережі і породжує дуже високу вартість робіт по підключенню по вимогам електропередаючих організацій, які, нарешті, відображаються на ефективності використання ТДУ та гальмує темпи нарощування об’ємів рекуперації енергії за рахунок використання скидного енерготехнологічного потенціалу.

        Звичайно ж, детандер-генераторні установки не можуть скласти конкуренції великим електростанціям, але в перерахуванні на кіловат потужності вони вимагають набагато менших (у 3-5 разів) капітальних витрат - від 320 до 400 доларів, тоді як на кожен вироблюваний на звичайній електростанції 1 КВт буде потрібно вкласти 600-700 доларів США. Вартість станції потужністю 6-7 МВт у такий спосіб у підсумку складе 3-5 мільйонів доларів. Вартість же самого турбодетандера потужністю 6-7 МВт складає біля мільйона доларів. Їх можна досить швидко, за кілька місяців, розміщати на територіях уже діючих теплових станцій, окупаються вони за 2,5-3 роки, а саме головне - вони екологічно чисті.

        Описані джерела енергоресурсів можуть бути використані переважно на тих підприємствах, де вони і виникають. Налагодивши утилізацію цих енергоресурсів, підприємства будуть надійно застраховані від перебоїв з подачею енергоресурсів ззовні. Вони можуть також значно скоротити свої витрати на електроенергію, одержуваної з енергосистеми за рахунок скорочення її споживання в пікові періоди, коли тарифи найвищі. Як водиться (оскільки у своїй батьківщині пророків немає) пошлемося на досвід розвитих країн: у США, Канаді, Італії, Франції й інших країнах немає ГРС і ГРП без турбодетандерних установок, потужність яких має діапазон від 20 Квт до 10,0 МВт.

        Енергосистема, і всі інші теж будуть у виграші, оскільки більше енергоресурсів надійде тим споживачам, яких колись відключали.