Методология разработки технических решений по созданию турбодетандерных агрегатов для подготовки и энергосбережения природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор технических наук Мальханов, Виктор Паладьевич

• Мальханов, Виктор Паладьевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Мальханов, Виктор Паладьевич

Глава Анализ применения турбодетандерных агрегатов в системах подготовки и энергосбережения природного газа. Основные задачи исследования

1.1 Турбодетандерные агрегаты в подготовке газа к транспорту

1.2 Турбодетандерные агрегаты в энергосбережении природного газа

Глава К термогазодинамическим расчетам турбодетандерных агрегатов

2.1 Общие сведения

2.2 Газодинамические функции для реального газа

2.3 Термогазодинамический расчет проточной части блочного турбодетандерного агрегата

2.4 Расчет осесимметричного потока газа в проточной части турбинной ступени « ^ Глава Утилизационная турбодетандерная установка УТДУ-2500 3.1 Общие сведения

3.2 Основные характеристики установки УТДУ-

3.3 Математическая модель системы автоматического регулирования и оценка ее динамических характеристик

3.4 Эксплуатационные испытания установки УТДУ-

Глава Утилизационная турбодетандерная установка УКС

4.1 Общие сведения

4.2 Краткое описание и основные технические данные установки УКС

4.3 Испытание установки и доводка ее основных систем и агрегатов

Глава Энергосберегающие турбодетандерные агрегаты 1%

Глава IIодогрев природного газа в утилизационной установке с помощью плазмохимического реактора

Глава Оценка экономической эффективности внедрения энергосберегающего комплекса на базе детандер-генераторных агрегатов

7.1 Расчет экономической эффективности разработанного 0 «ТурбоДЭн» энергосберегающего турбодетандерного агрегата ЭТДА-4000, предназначенного для выработки электроэнергии на ГРС

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология разработки технических решений по созданию турбодетандерных агрегатов для подготовки и энергосбережения природного газа»

(f Для современной газовой промышленности характерно широкое применение передовой машиностроительной продукции высокоэффективной газотурбинной техники. Наибольшие масштабы ее применения относятся к газотранспортным магистралям природного газа, по которым транспортирование газа, в основном, осуществляется газоперекачивающими агрегатами (ГПА) с газотурбинным приводом.Мощность таких агрегатов, например в России, составляет более 85% общей мощности ГПА, находящихся в эксплуатации.В ряде случаев газотурбинные ГПА оснащаются паротурбинными установками, утилизирующими тепло отходящих газов двигателей для выработки дополнительной мощности агрегатов.Настоящая диссертация посвящена газотурбинной технике, используемой по двум другим направлениям, - в подготовке природного газа ф^ к транспортированию по магистральным газопроводам и в энергосбережении газа. Последнее направление, конечно, полностью относится и к области современной энергетики.Представляют газотурбинную технику в установках комплексной подготовки газа (УКПГ) к транспортированию от промысловых (газодобывающих) предприятий турбодетандеры, которые являются источниками холода для низкотемпературной обработки газа с целью его осушки и выделения ценных углеводородных компонентов, а в некоторых случаях и для определенного охлаждения сухого газа.Процессы расширения газа в турбинных решетках протекают, как известно, с относительно небольшими энергетическими потерями. Это ,|, позволяет с помощью турбодетандера получить максимальное количество холода и максимальную величину механической работы (исключая расширение при постоянной температуре газа) с единицы массы его (^ конструкции, и, таким образом, эффективно разрешить проблему необходимой подготовки газа, В подавляющем большинстве установок подготовки турбодетандер передает свою мощность дожимающему центробежному или осевому компрессору; такое конструктивное сочетание обычно называют турбодетандерным агрегатом (ТДА).В разработке, производстве и внедрении ТДА на газоконденсатных месторождениях стран СНГ ведущая роль принадлежит ВНПО "Союзтурбогаз" (сейчас АО "Турбогаз", г. Харьков), За двадцать с небольшим лет это предприятие поставило в газовую промышленность более 160 ТДА современных конструкций и различных параметров, обеспечив многие месторождения России, Украины и Средней Азии передовым турбохолодильным оборудованием. Только на одном гигантском Ямбургском газоконденсатном месторождении действуют более семидесяти мощных ТДА, рассчитанных на давление газа 13,0 МПа и на расход 10,0 млн. м^ в сутки. ,^ Практика использования ТДА на различных месторождениях показала, что турбохолодильные установки на его основе отличаются простотой, надежностью и низкой металлоемкостью конструкции, обусловливают минимальное количество обслуживающего персонала, высокую автономность и широкий диапазон регулирования, а также — отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.В настоящее время целый ряд организаций занят разработкой и производством новых перспективных конструкций ТДА. Это направление деятельности сейчас особенно актуально в связи с широкомасштабным увеличением потребления природного газа в современной и будущей энергетике и вводом в строй новых месторождений газа. ^ Опубликованные прогнозы свидетельствуют, что к 2030 году потребление газа в мире может удвоиться, а межрегиональные поставки утроиться. В России, в частности, в ближайшие 20 лет планируется (t увеличение добычи газа на 27%, По данным ВНИИгаза потребность в промысловых ТДА до 2015 года оценивается в 170 штук с учетом резерва [1].Широкое распространение получили турбодетандеры и в процессах переработки природного газа на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ), где они также являются основными источниками холода. В мировой практике, судя по источникам информации, турбодетандерные установки применяются на каждом пятом ГПЗ, и это число постоянно увеличивается. Из технической литературы известны многие технологические схемы газопереработки с помощью ТДА и их исследование, несомненно, имеет большое научнотехническое значение.Успешное развитие промысловых ТДА явилось обосновывающей технической предпосылкой в разработке турбоагрегатов, предназначенных ДЛЯ энергосберегающих технологий, вчсоторых турбодетандер, срабатывая избыточный перепад давления газа, поступающего в дроссельные системы газораспределительных станций (ГРС) и газораспределительных пунктов (ГРП), передает вырабатываемую им мощность нагрузочному устройству, ^(^ как правило, электрогенератору.Разработка и внедрение энергосберегающих агрегатов объективно соответствует призыву - «Энергосбережение — веление времени», - тем более, если принять во внимание перспективные данные по потреблению газа в наступившем веке и увеличение давления транспортируемого газа до 10,0-15,0 МПа.Целью диссертации является разработка основополагающих научнотехнических решений по созданию турбодетандерных агрегатов, предназначенных для рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа на газораспределительных объектах — ГРС и ГРП. ^ Для достижения этой цели автором проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по определению основных технических решений и характеристик турбодетандерных агрегатов, создание которых (i позволит оснастить широкий спектр газораспределительных объектов РФ — ГРС и ГРП и вовлечь в хозяйственный оборот теряемую в настоящее время в дроссельных устройствах мощность, суммарный потенциал которой в настоящее время составляет более 2000 МВт.Научная новизна работы состоит в следующем: • определено основное направление в разработке проблемы рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа, состав и характеристики основного оборудования турбодетандерных установок и их технологические схемы функционирования в составе оборудования ГРС и ГРП; • определена основополагающая зависимость экономических показателей турбоустановок от вырабатываемой ими мощности; • разработан алгоритм и программа термогазодинамического расчета параметров турбодетандерных агрегатов (турбодетандера и компрессора) с учетом реальности газа; • получены газодинамические функции для реального газа и Ф определены их численные значения для метана; • рассмотрена пространственная задача газодинамики и выполнены расчеты параметров осесимметричного потока газа в проточной части турбодетандера; • построена математическая модель и выполнены расчеты динамических характеристик системы автоматического регулирования турбоустановок, функционирующих в условиях ГРС (ГРП); • разработаны основные технические решения и конструкции первых турбодетандерных промышленных установок УТДУ-2500 и УКС2300 и проведены их стендовые и промышленные испытания; • разработан унифицированный типоразмерный ряд г# энергосберегающих турбодетандерных агрегатов — ЭТДА мощностью 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 МВт, а также ТДА для подготовки газа морского месторождения; • представлен новый способ подготовки газа на входе в турбодетандер, основанный на использовании плазмохимического реактора.Диссертация состоит из 7 глав, введения, основных выводов и приложений; содержит 246 страниц, включает 57 рисунков, 20 таблиц, список использованной литературы. В приложениях представлены акты проведенных испытаний и изготовления турбоустановок. (• ' ^#

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Мальханов, Виктор Паладьевич, 2004 год

1. А.М.Сироткин, Е.Н.Туревский, Ю.А.Лаухин и др. "Техника и технология промысловой обработки углеводородного сырья", "Газовая промышленность", №6, 1999 г., М.

2. А.В.Язик. "Турбодетандеры в системах промысловой подготовки • ' природного газа", "Недра", 1977 г. М.

3. А.В.Язик. "Системы и средства охлаждения природного газа", "Недра", 1986 г., М.

4. В.И.Твердохлебов. "Надежное оборудование для газовой промышленности", Машиноэкспорт, №29, 1990 г., М. 7. "Агрегаты блочные турбодетандерные типа БТДА-5-100СУГ', Карта технического уровня и качества продукции, ВНПО "Союзтурбогаз", г. Харьков, 1984 г.

5. Я.А.Левин, В.П.Мальханов, И.Д.Браславский, Ю.И.Лавренов. "Расчетные характеристики турбодетандерного агрегата, предназначенного для охлаждения природного газа, транспортируемого с северных месторождений", ^ "Научные труды", ВНИ1ТР1ГАЗ, 1983 г. г. Баку.

6. Мальханов В.П., Браславский И.Д., Деревянченко Г.В. и др. "Исследование и выбор рациональных способов использования потенциальной энергии газа на ГРС", 1981г. УДК 621.438.662.767.69, 95 с.

7. Мальханов В.П., Деревянченко Г.В., Победимский Е.Н.и др. " Исследование технологических схем и выбор оборудования ", 1982г. УДК 622.691.4.054 1-1. № гос. регистрации 01825027803, 140 с.

8. Капица П.Л. "Турбодетандер для получения низких температур и его применение для ожижения воздуха". Техническая физика, 1939г., т. 9.

9. Епифанова В.И. "Низкотемпературные радиальные турбодетандеры", М.: Машиностроение, 1974г.

10. Епифанова В.И. "Компрессоры и расширительные турбомашины радиального типа", Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998г. ф; 15. Зарницкий Г.Э "Теоретические основы использования энергии давления газа", М.: Недра, 1968г.

11. Клименко А.П. "Использование перепада давления природного газа", Труды Ин-та использования газа АН УССР, 1960г., вып. 9.

12. Патент №174165, F 25 В 30/02, Польша.

13. Заявка №19724460, F 02 С6/00, Германия.

14. Патент №2091592, F 17 D 1/04, Россия.

15. Патент №2096640, F 17 D 1/04, Россия.

16. Патент №2098713, F 17 D 1/04, Россия.

17. Патент №2137065, F 25 J 1/00, Россия.

18. Патент №2151971, F 25 В 11/00, Россия.

19. Патент №2156368, F 02 С 1/00, Россия.

20. Патент №2161751, F 17 D 1/65, Россия.

21. Патент №5553458, F 25 В 1/00, США.

22. Патент №55606858, F 01 К 25/10, США.

23. Патент №47884А, F01 D 25/08, Украина.

24. В.Г.Крыжановский. "К вопросу внедрения энерготехнологической установки ЭУ-70001 на Краснодарской ТЭЦ", "Энергосбережение и водоподготовка", №3, 2000 г., М.

25. Dehlpi М "Energieriickgewinnung in technischen Systemen", т.1, "Riickgewinnungkonzepte bei der Erdgosbereitstellung", "Bremst-Warme-Kraft", №7-8, 2000 r.

26. Мальханов В.П., Победимский E.H., Богданов B.A.. Авторское свидетельство № 1576806, СССР, МК F25 В 11/00. "Установка для утилизации избыточной энергии природного газа".

27. Твердохлебов В.И., Воробьев Ю.М., Мальханов В.П. Авторское свидетельство №1572155, 1987, СССР. "Турбодетандерный агрегат".

28. Мальханов В.П. и другие. Авторское свидетельство №1740788, 1992, СССР. "Компрессорная станция".

29. А.А.Степанец. "Энергосберегающие турбодетандерные установки", "Недра", 1999 г., М.

30. Проскуряков Г.В., Горшков В.Н., Авербух В.Е. и др. "Утилизационная газотурбинная установка ТГУ-П", Тяжелое машиностроение, № 4, 1991г.

31. Д.Т.Аксенов. "Выработка электроэнергии и "холода" без сжигания топлива", "Энергосбережение", №3, 2003 г., М.

32. В.П.Мальханов, А.А.Степанец, В.Н.Шпак. Детандер-генераторные агрегаты, разрабатываемые АО "Криокор" для утилизации избыточного давления природного газа", "Химическое и нефтяное машиностроение" №4, 1997 г.

33. В.П.Мальханов, А.А.Степанец. "Детандер-генераторные агрегаты для утилизации избыточного давления природного газа". Материалы конференции "Новая техника и технологии в энергетике ОАО "Газпром", 27-r29.10.1998 г.

34. В.П.Мальханов. "Энергосберегающие турбодетандерные агрегаты", "Энергосбережение и водоподготовка", №3, 2001 г., М.

35. В.П.Мальханов. "Энергосберегающая турбодетандерная установка ЭТДУ-1500", "Энергосбережение и водоподготовка", №2, 2003 г., М.

36. В.П.Мальханов, "Турбодетандерные агрегаты в энергосберегающих технологиях", "Материалы III Всероссийской научно-технической конференции", 7-i-l 0.10.2002 г., М.

37. Патент №36494А, F25 В 5/02, Украина.

38. Карась В.И., Мальханов В.П. Патент №2184601, Россия, МК B01D 53/32, В01 J 19/08/. "Способ переработки газа высокого давления в плазменном разряде и плазмохимический реактор для осуществления способа".

39. В.П.Мальханов, Е.Н.Победимский, Г.В.Деревянченко, Н.П.Климантович. "О динамических характеристиках систем автоматического регулирования для ГРС с УТДУ", "Экспресс-информация", ВНРШЭгазпром, ВЫП.11,1987 г., М.

40. Мальханов В.П. Патент №2208170, 2003 г., Россия. "Турбодетандерная установка для преобразования энергии избыточного давления газа газораспределительных сетей в электроэнергию".

41. V.I. Karas', Р. Maljkhanov. " Differential equations for integral scales of semiempirical developed-turbulence theory", "Вопросы атомной науки и техники". Национальный научный центр "ХФТИ". UDK 532.517.4. №1. 2000г.

42. Карась В.И., Мальханов В.П. "Теоретические исследования разряда при атмосферном давлении в системе "Игла-плоскость" и его применения для генерации озона", Труды XXVIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. 2000г

43. В.П.Мальханов. "Об утилизационной турбодетандерной установке УТДУ-2500", "Энергосбережение и водоподготовка", №4, 2002 г., М.

44. В.И.Твердохлебов, В.П.Мальханов. "Утилизационные турбоустановки для ГРС и КС", "Газовая промышленность", №7, 1985 г., М.

45. В.П.Мальханов, М.А.Петухов, В.А.Лопатин и др. "Опытно- промышленная эксплуатация турбодетандерной установки", "Газовая промышленность", №1, 1994 г., М.

46. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. "Издательство государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов", 1964 г., М.

47. В.А.Загорученко, А.М.Журавлева. "Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана", "Стандарты", 1969 г., М.

48. В.П.Мальханов. "О рациональном использовании энергии избыточного перепада давления топливного газа КС", "Энергосбережение и водоподготовка", №3, 2003 г., М.

49. В.П.Мальханов. "К вопросу об изоэнтропических формулах", "Проблемы машиностроения", №14, "Наукова думка", Киев, 1981 г.

50. В.П.Мальханов, Г.В.Деревянченко. "О газодинамических функциях для реальных газов", "Проблемы машиностроения", №22, "Наукова думка", Киев, 1984 г.

51. Э.Э.Шпильрайн, П.М.Кесельман. Основы теории теплофизических свойств веществ", М., "Энергия", 1977 г.

52. Ю.С.Подубаев, К.П.Селезнев. "Теория и расчет осевых центробежных <•) компрессоров". Л., Машгиз, 1957 г.

53. Г.С.Жирицкий. "Авиационные газовые турбины", М., Оборонгиз, 1950 г.

54. Б.Эккерт. "Осевые и центробежные компрессоры", М., Машгиз, 1959 г.

55. Г.Н.Ден. "Механика потока в центробежных компрессорах", М., "Машиностроение", 1973 г.

56. З.Копелев, Н.Д.Тихонов. "Расчет турбин авиационных двигателей", М., 1974 г.

57. Г.В.Жуковский, Е.Б.Долгоплоск. "К расчету вторичных потерь в направляющих аппаратах турбинных ступеней", "Теплоэнергетика", 1973 г., • №6.

58. В.И Локай, М.К.Максутова, В.А.Стрункин. "Газовые турбины двигателей летательных аппаратов", М., "Машиностроение", 1979 г. (Ц

59. И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М., Госэнергоиздат, 1960 г.

60. В,П.Мальханов. "К вопросу о численном интегрировании системы уравнений Эйлера", "Вычислительная и прикладная математика". Республиканский межведомственный сборник, вып.39, 1979 г., г,Киев.

61. В,П,Мальханов, "К вопросу о расчете пространственного потока поворотного соплового аппарата". Тезисы семинара секции №4 "Гидродинамика двигателей и машин" Научного Совета по проблеме "Гидромеханика" АН УССР, 1978 г., г.Киев,

62. В.П,Мальханов, В,В.Паршин, Г.В.Деревянченко. "К расчету осесимметричного потока газа в проточной части турбинной ступени", "Проблемы машиностроения", №21, "Наукова думка", Киев, 1984 г,

63. В,А,Кириллин, В.В.Сычев, А.Е. Шейндлин. "Техническая термодинамика", "Энергия", 1974 г., М.

64. Я.А.Сироткин. "Аэродинамический расчет лопаток осевых турбомашин", "Машиностроение", 1972 г., М.

65. М.И.Жуковский. "Аэродинамический расчет потока в осевых турбомашинах", "Машиностроение", 1977 г., Л.

66. К.Годунов, В.С.Рябенький. "Разностные схемы", "Наука", 1977 г. М.

67. Д.Поттер. "Вычислительные методы в физике", "Мир", 1975 г., М.

68. В.П. Мальханов "Турбодетандерные агрегаты в системах подготовки и распределения природного газа", М., "Нефть и газ", 2004 г.

69. В.П. Мальханов. "Подготовка природного газа с помощью плазмохимического реактора". "Нефть, газ и бизнес", научно-техническое приложение, №1, 2004г.