Под нами океан энергии

                                        Под нами - океан энергии.

                                                                                        Неиспользованные резервы энергетики.

                                                       

                                                            Введение.

В настоящий время Республики Узбекистан располагает разведанными запасами нефти и газа, открыто 225 месторождений  углеводородного сырья, годовая  добыча  газа достигла уровня 70 млрд. кубических метров газа, нефти  6млн. тонн. Газовая промышленность Республики Узбекистан обладает крупнейшими в регионе ресурсами природного газа и  самой мощной системой газоснабжения.

            Добыча природного газа происходит, как правило, в необжитых районах, без развитой сети электрических коммуникаций, дорог и т.п. Объекты добычи, промысловой подготовки газа и транспортировка газа требует создания новых сетей электроснабжения в районе разработки месторождения, а вдоль магистральных газопроводов для электроснабжения, в том числе, катодных станций электрозащиты от коррозии. Как правило, это наиболее дорогостоящая и малонадежная составляющая проекта освоения месторождения, учитывая, что мачты электропередач устанавливаются в условиях пустынь.

               На фоне развития добывающих предприятий, постоянного роста добычи углеводородов происходит, также, постоянное расширение географии газификации регионов, что предусматривает развитие сетей газораспределения со строительством газораспределительных станций (ГРС) и газорегулирующих пунктов (ГРП), количество которых насчитывается десятками тысяч.

 

1. Первая точка ГРС(ГРП).

 

                   Далее рассмотрим еще одну  точку в цепи газификации –  это объекты газораспределения  ГРС и ГРП. Через ГРС газ  отводится из труб магистрального трубопровода при давлении 7,5МПа потребителю- городу, поселку или крупному промышленному объекту с понижением давления до 1,2; 0,6; 0,3МПа.                            

                  Снижение давления происходит  на клапанах, а энергия газа утрачивается безвозвратно, при этом газ охлаждается приблизительно на 0,5 градуса С⁰ на каждые 0,1МПа снижения давления. В газовых машинах используют эффект резкого снижения температуры при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется детандером. Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПа температура его снижается на 50–60 °C (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (от 1,8 до 0,3 МПа) разность температур возрастает до 70–80 °C. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20 °C, температура потока после расширения составит -30 – -40 °C в первом и -50 – -60 °C во втором случаях. Исходя из этого представляется целесообразным использование турбодетандерных агрегатов(ДГА) на базе газо-расширительных турбин при строительстве предприятий по сжижению  пропан – бутановой фракции природного и нефтяного газов. Получение низких температур для сжижения газов осуществляется расширением сжатых газов с совершением внешней работы в сочетании с противоточным теплообменом. В случае использования специальных турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин вышеупомянутую теряемую энергию газа можно использовать для выработки электроэнергии.                                        

В общем в мире реализация идей использования расширительных машин для утилизации перепада давления природного газа  осуществляется с помощью следующих типов ДГА.

Детандер с гидротормозом. 
Находит применение там, где необходима небольшая (до 100 кВт) холодопроизводительность, а утилизация мощности, вырабатываемой детандером (в электроэнергию или компрессию газа) экономически не целесообразна.

Детандер-компрессор. 
Имеет гораздо более широкое применение. После сепарации тяжелых углеводородов в сепарационном барабане, газ сжимается в центробежном компрессоре. Агрегат имеет единый вал с одним колесом детандера и одним компрессорным колесом, установленных оппозиционно на валу. Этот тип турбодетандера применяют в технологических циклах для понижения температуры газа (получения холода) и для повышения давления технологического газа вследствие работы ступени компрессора.

Детандер-генератор. 
Используется для выработки электроэнергии (с получением холода) в технологических установках и на газораспределительных станциях при регенерации (утилизации) энергии сжатого газа.

                     На ГРС технически возможно  и целесообразно получать электрическую  энергию с возвратом ее в  существующую электрическую сеть используя специальные турбодетандерные агрегаты(ДГА) на базе газо-расширительных турбин. Поток газа по байпасной линии предлагается направить непосредственно на рабочие органы привода электрического генератора. Роль автоматического клапана при этом может выполнить электроника, следя за давлением газа с большой точностью “после себя” т.е. после расширения на рабочих органах привода, в выходной трубе потребителю. Учитывая объемы газа проходившего через ГРС, а это порядка от 10тыс м³/час до 200тыс м³/час, нетрудно представить масштабы получения дополнительной электроэнергии. Однако при охлаждении газа, которое сопутствует расширению,  возникает опасность возникновения гидратов, поэтому в данном случае необходимо подогревать газ перед входом в расширительную машину.     

            Агрегаты устанавливаются преимущественно  на байпасных линиях так, чтобы  не быть помехой основному  технологическому процессу. Где  необходимо, перед агрегатом устанавливается  спецфильтр, подогреватель газа, редукционный клапан (см. рис1.). 

 

    

                                                                    Рис1.

2. Автономный источник электроэнергии для катодных станций магистральных газопроводов.

  

   Наиболее актуальной задачей  является обеспечение электроэнергией  катодных станций газопроводов   в необжитых районах, без развитой  сети электрических коммуникаций, дорог. Способов защиты металлов  от коррозии на первый взгляд много, но все сводится к изменению (легированию) свойств металла, либо созданию защитного покрытия, либо понижению коррозионной активности среды. При коррозии по электрохимическому механизму, которая и поражает трубопроводы, эффективна электрохимическая защита.

             Анодная защита имеет ограниченное  применение, требует тщательного  контроля и применяется для  металлов и сплавов, способных  пассивироваться - например, углеродистой  и нержавеющей сталей. А вот  катодная защита широко применяется  для борьбы с коррозией трубопроводов, газопроводов в грунте как дополнительное средство защиты к изоляционному покрытию путем присоединения защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Покрытие может иметь нарушение сплошности, разрывы и трещины, так как защитный ток в основном протекает по обнаженным участкам металла, которые и нуждаются в защите. При этом искусственно снижается переходное сопротивление почва-анод (что увеличивает электропроводность почвы рядом с анодом) путем добавления в почву гипса и поваренной соли. При катодной защите катод-трубопровод не разрушается, а аноды, в качестве которых применяют чугун, сталь, уголь, графит, отработанный металлический лом, напротив, разрушаются очень активно».

       Отдельная проблема – обеспечение энергией станции катодной защиты, которой необходим автономный источник электроэнергии, способный надежно работать в жестких погодных условиях без обслуживания. Имеющиеся на рынке страдают многими недостатками, даже знаменитый источник фирмы «Ormat» (он к тому же очень дорог).              

           Эту  задачу решила установка,  созданная  на вышеуказанных принципах в  начале 90-х годов (см. рис.2). По заданию заказчика ,установка прошла сдаточные испытания на полигоне ОАО “Газавтоматика” в г. Саратове. В ходе испытаний  были проверены основные качества, подтверждены заданные технические параметры. При этом полученный переменный электрический ток имел стандартные величины по частоте и напряжению. В качестве нагрузки использовались электрические лампы накаливания, т.е. оммическая нагрузка в пределах 3 кВт.

3,0 кВт.

 

                                                     Рис 2.

 

                  Установка отработала в непрерывном  режиме 72 часа стабильно, без вибраций.  Для решения проблем электроснабжения  отдаленных, локальных  потребителей были сконструированы и изготовлены несколько вариантов автономных источников электроэнергии, которые использовали энергию текущего по трубе газа.

 

                            3.Шестеренные пневмодвигатели - основа турбинного привода.

 

                 На начальном этапе были  проанализированы  различные виды приводов, такие  как винт Дарье, винты пропеллерного  типа, ротационные, роторные и  поршневые расширительные двигатели,  турбины которые ранее не использовались для отбора энергии потока газа. Были изучены турбинные приводы. Турбины разрабатывались в г. Харькове, в НПО «Союзтурбогаз». Мощность турбин была самой меньшей- 500 кВт. Турбин малой мощности никто не создавал, поэтому я начал поиск среди семейства расширительных машин -  пневмодвигателей.

                     Наш выбор был остановлен на  выпускаемых серийно в горнодобывающей  промышленности пневматических  шестеренных двигателях. На сегодняшний  день разработаны и выпускаются  пневмодвигатели от 3,0 кВт до 100 кВт прошедшие эксплуатационные испытания и длительную проверку временем. Главным преимуществом является то, что шестеренные пневмодвигатели весьма простой конструкции. Валы двигателей имеет скорость вращения не более 3,0тыс. оборотов в минуту и установлены на обычных опорах подшипников качения.

Выбирая  наиболее необходимую  машину, я руководствовался изученными мною техническими условиями и  предыдущим опытом. Я начал с ротационных  пневмодвигателей, мне показали наиболее передовые разработки в этой области. Они удовлетворяли своим качеством в заданных условиях их применения, но они  обладали рядом нежелательных свойств для наших условий. Они оказались  высокооборотными, а это означало чувствительными к качеству газа, к качеству смазки. Кроме того,  они были не надежными из-за высокого износа лопастей, и в связи с этим требовали постоянного обслуживания и замены изношенных лопастей.

                 Рассматривая  другой вид пневмодвигателей  поршневые пневмодвигатели я  установил следующее. Несмотря  на положительные стороны этого вида расширительных машин, они все-таки обладали рядом нежелательных свойств. В первую очередь они требовали  высокой чистоты газа,  от этого зависела их надежность и долговечность. Затем поршневые пневмодвигатели были сложны в изготовлении и эксплуатации, они не удовлетворяли требованиям автономной работы, требовали постоянного обслуживания.

                Роторные пневмодвигатели  по  своим качествам наиболее подходили  для автономного источника электроэнергии, но их сложные конструкции, дополнительная зубчатая передача, трудность изготовления не позволили их считать приоритетными.

                 Наконец, рассматривая шестеренные  пневмодвигатели я узнал у  конструкторов этих машин их  свойства, условия их эксплуатации  и они по своим показателям   как нельзя лучше подошли в моим разработкам:

          1-е:  они имели номинальную скорость  вращения 3 тыс. оборотов в минуту;           

 

             2-е: шестеренный пневмодвигатель  выпускался серийно предприятиями  

              горного машиностроения;

             3-е: простота конструкции;

             4-е: шестерни "перемалывали" любые  загрязнения. Их можно было   

              выпускать с износостойким покрытием.            

                        

           5-е:  работоспособность пневмодвигателей  подтверждалась многолетней     

                  эксплуатации их в условиях  шахт.

 

         Применяя  серийный  шестеренный пневмодвигатель,

асинхронный генератор мною был  спроектирован простой  агрегат, который удался с первого раза, совершенствование его затронуло только мелкие узлы. Корпусом в котором он размещался и противостоял высокому давлению газа,  стала серийная труба диаметром 426 мм, и длиной 1000 мм. Агрегат собирается и опробывается вне корпуса, затем вставляется в корпус, крепился расклиниванием с трех сторон клиновыми распорками. Потом с обеих сторон устанавливались плоские крышки с уплотняющими кольцами и запирались врезными сухарями. Отвод и подвод газа осуществляется с боковой поверхности через приварные фланцевые штуцера, или есть вариант подвода и отвода газа через приварные штуцера, расположенные на плоских крышках. Подвод смазки осуществляется через штуцера с обратным клапаном на крышках, подача смазки к подшипникам и зубчатым передачам по гибким трубопроводам нагнетание смазки производилось серийным станочным пневмонасосом.

 

               Для  решения проблемы смазки  подшипниковых узлов предложено  использовать имеющийся в природном  газе конденсат, который в ряде  случаев может улавливаться просто  из рабочего потока и отфильтрованный подаваться в подшипниковые узлы микронасосом, без последующего возврата в смазочную систему. Таким образом отпадает громозкая система регенерации смазки. Конденсатом предложено смазывать и рабочие колеса, для уменьшения их износа.

             В целях исключения утечек через уплотнения выходного вала пневмодвигателя, которые не допускаются по требованию правил безопасности, пневмодвигатель вместе с генератором, соединенные в агрегат помещены в герметичный корпус. Электрический кабель при этом помещен в металлическую трубу и выводится из герметичного корпуса через гермовывод, как это делается в типовых насосах для перекачки сжиженных газов типа ХГ. При этом рабочая среда служит для охлаждения обмоток электрогенератора.

 

                        4 .Асинхронный генератор это двигатель наоборот.

 

                В качестве генератора применен  асинхронный генератор с блоком  автоматической регулировки и  защиты САРЗ, размещаемым вне  герметичного корпуса в помещении  электрощитовой . Асинхронный генератор является обращением обычного серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором . Асинхронный генератор имеет целый ряд существенных преимуществ перед синхронным генератором, кроме того он дешевле последнего. Конструкция асинхронного генератора позволяет размещать его непосредственно в среде природного газа. В Ленинграде серийно производился блок "Барс- 004" для комплектования микроГЭС, он аналогичен моему САРЗ только обмотки у его генератора располагались по схеме "треугольник"( Рис.3)          .