Повышение эффективности использования избыточного давления природного газа на основе рационального выбора системы подогрева тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Жигулина, Екатерина Валериевна

• Жигулина, Екатерина Валериевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жигулина, Екатерина Валериевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Задачи исследования.

1.1. Термодинамические основы работы детандер-генераторного агрегата.

1.2 Применение детандер-генераторных агрегатов в системе газоснабжения.

1.2.1 Утилизационные турбодетандерные установки стран СНГ.

1.2.2 Утилизационные турбодетандерные установки зарубежных стран

1.3. Обзор научно-технической литературы.

1.4. Задачи исследования.

Глава 2. Расчет свойств природного газа и анализ методик определения работы расширения в детандере.

2.1 Определение свойств природного газа.

2. 2. Способы расчета процесса расширения природного газа.

2.3. Оценка погрешности расчета удельной работы.

2.4 Погрешности расчетов показателей экономической эффективности

Глава 3. Энергетический и термодинамический анализы основных схем использования ДГА на тепловых электрических станциях.

3.1 Рассматриваемые схемы подогрева природного газа на ТЭЦ.

3.2. Энергетический анализ рассмотренных схем.

3.2.1. Схема применения ДГА на ТЭЦ без подогрева газа.

3.2.2. Схема применения ДГА на ТЭЦ с подогревом природного газа паром из отборов турбин.

3.2.3. Схема применения ДГА на ТЭЦ с подогревом природного газа дымовыми газами котлов.

3.2.4. Схема применения ДГА на ТЭЦ с подогревом газа низкопотенциальным теплом станции.

3.2.5. Сравнительный анализ рассмотренных схем.

3.3. Эксергетический анализ схем подогрева природного газа.

3.4. Сравнительный анализ схем подогрева природного газа.

3.5. Особенности применения детандер-генераторных агрегатов и некоторые предложения по совершенствованию схем их реализации.

Глава 4. Технико-экономическая оценка эффективности схем применения ДГАнаТЭС.

4.1. Расчет технико-экономических показателей проекта.

4.1.1. Оценка потенциала внедрения ДГА на ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО».

4.1.2. Исходные условия, предпосылки и допущения.

4.1.3. Инвестиционные издержки.

4.1.4. Производственная программа.

4.1.5. Определение и анализ себестоимости продукции.

4.1.6. Налоги.

4.2. Расчет экономической эффективности инвестиций.

4.2.1. Анализ эффективности вложений инвестиций в проект внедрения ДГА наТЭЦ-23.

4.2.2.Анализ показателей коммерческой эффективности предприятия.

4.3. Выбор оптимальной схемы подогрева природного газа.

Выводы по диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования избыточного давления природного газа на основе рационального выбора системы подогрева»

По многочисленным исследованиям в ближайшие десятилетия будет наблюдаться резкое возрастание роли природного газа в энергетике многих стран. Несмотря на активную политику энергосбережения, реализуемую в мире, особенно в развитых странах, рост потребления энергоресурсов продолжается. Рост электропотребления вызовет увеличение потребления первичных энергоресурсов и в электроэнергетике, которая является крупнейшим потребителем углеводородов. Растущие цены на энергоносители, экологические ограничения, в частности требования к глобальному снижению выбросов парниковых газов будут подталкивать мир к более интенсивному использованию природного газа. До 2030 г. его использование в электроэнергетике будет расти наибольшими темпами. Опубликованные прогнозы свидетельствуют, что доля газа в мировой выработке электроэнергии вырастет с текущих 17 до 27% в 2030 г. Таким образом, к 2030 г. объем электроэнергии, производимой за счет сжигания природного газа, более чем утроится. С использованием природного газа в качестве топлива будет вырабатываться порядка 8,5 трлн. кВт*ч против сегодняшних 2,6 трлн. кВт*ч.

Одним из важных направлений энергосбережения в газовой промышленности является снижение потребления топлива и энергии за счет внедрения последних достижений науки и техники на существующих объектах энергетики, промышленности, транспорта и их инфраструктуры. Уменьшение давления газа обычно производится в дросселирующих устройствах различных типов, в которых энергия избыточного давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и, таким образом, безвозвратно теряется. Учитывая потребляемое количество природного газа в нашей стране, то при подобном дросселировании потери энергии могут составить многие десятки миллиардов киловатт-часов в год.

Во многих странах в настоящее время уделяется значительное внимание полезному использованию энергии избыточного давления природного газа, разработке и внедрению соответствующих установок. Такими установками на практике в подавляющем большинстве являются турбодетандеры. Процесс снижения давления в них близок к изоэнтропическому, что обеспечивает получение максимальной величины механической энергии.

На основании многолетнего опыта работы в газовой промышленности, общепризнан факт, что применение турбодетандерных агрегатов для снижения давления газа обусловливает простоту, надежность, низкую металлоемкость конструкций и широкий диапазон режимов, минимальное количество обслуживающего персонала, отсутствие влияния на окружающую среду и, в конечном счете, сравнительно невысокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Научные предпосылки и практика позволяют считать, что для утилизации энергии избыточного давления природного газа - этого вторичного источника энергии - турбодетандерные установки в наибольшей степени соответствуют задачам экономии энергетических ресурсов, материальных средств и улучшения экологической обстановки.

Целью данной работы является исследование эффективности применения детандер-генераторных агрегатов на тепловых электрических станциях и разработка методики определения оптимальной схемы подогрева природного газа путем проведения энергетического, термодинамического и экономического анализа.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Жигулина, Екатерина Валериевна

Выводы по диссертации

1. Разработана методика проведения термодинамического анализа схем применения ДГА на ТЭС, позволяющая оценить термодинамическую эффективность схем с учетом влияния установки ДГА на работу основного оборудования.

2. Проведенный термодинамический анализ схем подогрева природного газа при применении ДГА на ТЭС показал следующее:

• выбор наиболее эффективных схем подогрева природного газа зависит от степени расширения природного газа в ДГА;

• самой эффективной является схема подогрева газа циркуляционной водой станции;

• наименее эффективными являются схемы подогрева природного газа отборным паром в зимнем режиме работы ТЭС и схема без предварительного подогрева газа.

3. Проведенный энергетический анализ схем подогрева природного газа при применении ДГА на ТЭС показал следующее:

• большое влияние на выбор наиболее эффективной схемы установки ДГА оказывает удельный расход топлива на выработку кВт-ч электроэнергии на ТЭС;

• учет прироста мощности паровой турбины вследствие достижения более глубокого вакуума в конденсаторе в схеме подогрева природного газа циркуляционной водой увеличивает суммарную экономию топлива в схеме до 21%. Данная схема становится более выгодной, чем схема подогрева газа паром до 120°С при степени расширения природного газа больше 4;

• установлено, что в схеме с подогревом природного газа перед ДГА паром из отборов паровой турбины, повышение температуры природного газа приводит к увеличению энергетической эффективности, при этом необходимо использовать отбор пара с наименьшим давлением, обеспечивающим заданный подогрев;

• показано, что неправильный выбор режима подогрева природного газа (при постоянной мощности паровой турбины или постоянном расходе пара в ее головную часть), может привести к значительному (до 20%) перерасходу топлива на ТЭС.

4. Произведенный анализ методик расчета удельной работы расширения природного газа в детандере показал следующее:

• наибольшая погрешность (до 30%) соответствует методу, при использовании которого предполагается, что природный газ обладает свойствами идеального газа и на 100% состоит из метана;

• использование уравнения для идеального газа при давлениях до 1,5 МПа приводит к возникновению погрешности расчета мощности ДГА до 6%, а при высоких давлениях (до бМПа) погрешность достигает 25%;

• введение поправки на сжимаемость в уравнение для идеального газа снижает погрешность расчетов до 4,5% и 9% соответственно;

• установлено, расчет удельной работы расширения природного газа в предположении 100% содержания метана приводит к погрешности 0,8% на каждый процент снижения фактического его содержания и в среднем 0,9% при определении экономических показателей.

5. Разработанная схема установки ДГА на ТЭС, обеспечивающая снижение давления газа за детандером с помощью инжектора, позволяет увеличить электрическую мощность турбодетандера до 20%.

6. На основании результатов сравнительного экономического анализа схем подогрева природного газа показано, что все схемы имеют положительные показатели экономической эффективности, а наиболее эффективной является схема подогрева природного газа с использованием пара из отборов турбины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жигулина, Екатерина Валериевна, 2011 год

1. Электроэнергетика России 2030. Целевое видение //Под ред. Б.Ф. Вайнзихера. М.: Альпина Бизнес Букс, 2008.- 360с.

2. Капица П.Л. Турбодетандер для получения низких температур и его применения для сжижения воздуха //ЖТФ. -1939. -Т.9.-вып.2.-с.99-123.

3. Степанец A.A. Энергосберегающие турбодетандерные установки. М.: Недра, 1999 г.-258 с.

4. Зарницкий Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления газа. М: Недра. 1968.

5. Клименко А.П. Сжиженные углеродные газы.-3-е изд.-М.: Недра, 1974.

6. Клименко А.П. Использование перепада давления природного газа // Труды института использования газа АН УССР. 1960. Вып. 9.

7. Твердохлебов В.И., Мальханов В.П. Утилизационные турбоустановки для ГРС и Кс. Газовая промышленность. 1985г., №7.

8. Утилизационная газотурбинная установка ТГУ-11. Проскуряков Г.В. и др. Тяжелое машиностроение. 1991г., №4.

9. Kulitschichin S.W. Die Nutzung des Energiepotentials verdichteten Erdgases zur Erzeugung. XXVII Kraftrwerkstechnisches Kolloquoium. S.44.

10. Von Elektroenergie. Technische Universität Dresden. Die Thesen des Beitrages SP 16, 1995.

11. Савенков В.Ф. Основные результаты испытаний детандер-генераторного агрегата. Энергосбережение и водоподготовка, 2002, №2, с. 18-24.

12. Мальханов В.П., Степанец A.A., Шпак В.Н. Детандер-генераторные агрегаты, разрабатываемые АО «Криокор» для утилизации избыточного давления природного газа //Химическое и нефтяное машиностроение. -1977. -№4.

13. Cronin Р/ The application of turboexpanders for energy conservation. // Материалы фирмы Rotoflow Corporation. США. 1999 г.

14. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. Перевод журналов США. М.: 1983, №6,9.

15. Alternative Energie aus der Erdgasentspannungsanlage. Gas Warme Int.-1989.-38. -s.7. s. 439.-нем.

16. Energiesparende innstallatie van Energiebedrift Amsterdam. Elektro techniek. -1991. 69. -№11.- S. 997. Нид.

17. Столяров A.A. Состояние и перспективы применения турбодетандеров для установок разделения природных газов. //Подготовка и переработка газа и газового конденсата //Тр. ин-та ВНИИЭгазпром.-1983. Вып.2. -с.12-16.

18. Язик A.B. Утилизация потенциальной энергии газа на газораспределительных станциях в детандерных установках //Обзорн. инф. Сер. Использование газа в народном хозяйстве. Вып.4. ВНИИЭГазпром, 1988.

19. Способ утилизации энергии транспортируемого природного газа без выбросов вредных веществ в окружающую среду. Агабабов B.C. и др. //Международная практическая конференция «Экология энергетики -2000». М. 2000.- С. 328-331.

20. Использование детандер-генераторных агрегатов в промышленности. Агабабов B.C. и др. //Энергосбережение в Поволжье.- 2000. С. 51-55.

21. Охотин B.C. Термодинамический анализ детандер-генераторных агрегатов в схеме паротурбинных установок с подогревом газа паром из отбора турбины //Вестник МЭИ. 2004. №3. С. 12-21.

22. Об использовании потенциальной энергии природного газа на тепловых электростанциях. Куличихин В.В. и др. «Электрические станции», 1997, №2, с. 8-11.

23. Методика и результаты исследования характеристик детандер-генераторного агрегата. Куличихин В.В. и др. // Вестник МЭИ. 2001. -№4.- С. 19-24.

24. Агабабов B.C., Утенков В.Ф., Хаймер Ю.Ю. Получение экологически чистой электроэнергии при утилизации энергии давления транспортируемого природного газа. //Энергосбережение и водоподготовка. 1999.-№4. — с. 7-10.

25. Агабабов B.C. Определение экономии топлива на конденсационной электростанции при включении в тепловую схему детандер-генераторного агрегата. //Проблемы энергетики. -1999. -№12. -с.3-6.

26. Агабабов B.C., Аракелян Э.К., Корягин A.B. Изменение мощности КЭС при включении детандер-генераторного агрегата в её тепловую схему. //Проблемы энергетики. 2000. №1-2. С. 32-39.

27. Агабабов B.C. Определение изменения мощности КЭС при включении детандер-генераторного агрегата в её тепловую схему. //Вестник МЭИ.-2000.-с.83-86.

28. Агабабов B.C., Аракелян Э.К., Корягин A.B. Изменение удельного расхода топлива на электростанции конденсационного типа привключении в её тепловую схему детандер-генераторного агрегата. //Проблемы энергетики. 2000. №3-4. С. 41-46.

29. Агабабов B.C., Аракелян Э.К., Корягин A.B. Влияние детандер-генераторного агрегата на удельный расход топлива на КЭС. //Проблемы энергетики. 2000. №7-8. С. 32-35.

30. Агабабов B.C., Корягин A.B., Агабабов В.В. Изменение удельного расхода условного топлива при включении детандер-генераторного агрегата в тепловую схему конденсационных энергоблоков. //Проблемы энергетики. 2001. №9-10. С. 53-60.

31. Агабабов B.C. Основные особенности применения детандер-генераторных агрегатов на ТЭЦ. //Энергосбережение и водоподготовка. -2002.-№3.-С. 27-29.

32. Агабабов B.C. Методика оценки влияния детандер-генераторного агрегата на тепловую экономичность ТЭЦ. //Теплоэнергетика. -2002.-№5. -С. 48-52.

33. Гуськов Ю.Л. Повышение эффективности работы ТЭЦ на основе внедрения детандер генераторных агрегатов. //Автореферат дис. к.т.н.- М. - 1997.-40 с.

34. Об использовании детандер генераторных агрегатов в котельных. Агабабов B.C. и др. // Энергосбережение и водоподготовка. - 2000. - №3. -С . 14-18.

35. Влияние параметров на показатели работы установки для утилизации энергии давления транспортируемого газа. Агабабов B.C. и др. //Энергосбережение и водоподготовка. 2000. - №1. - С. 22-26.

36. Агабабов B.C. К выбору способа подогрева газа в детандер-генераторном агрегате на ТЭЦ. //Энергосбережение и водоподготовка. -2002. -№4. -С. 7-11.

37. Сравнение различных способов подогрева газа в детандер -генераторном агрегате. Агабабов B.C. и др. //Теплоэнергетика. -2003. №6. - С. 46-50.

38. Truston А. Recovering energy in gas pressure reduction. //Contr/ and Instrum. 1991/-№5.-23.

39. Die Auswahl des Konstruktionsschemas und die Betriebs-erfahrungen von Expansionsturbinen fuer Druckerdgas. Beitrag VT6 XXXIV Kraftrwerkstechnisches Kolloquoium Dresden, 2002, s.43.

40. Abhängigkeit der Betriebsdaten einer Warmepumpenanlage zur Erdgasvormung von den Einsatzparametem V.S.Agababov, J. Heymer, A.V. Korjagin, V.F. Utenkov /Gas Erdgas №9, 2000. s.610-615.

41. Опыт эксплуатации детандер-генераторного агрегата на ТЭЦ-21 Мосэнерго. Гуськов Ю.Л. и др.//Электрические станции. 2003. - №12. -С. 15-17.

42. Влияние детандер генераторных агрегатов на тепловую экономичность ТЭЦ. Аракелян Э.К. и др.//Электрические станции. - 1997. - Спец. выпуск. - С. 77-82.

43. Экономичность, габаритные показатели и конструктивные схемы турбодетандеров. Зройчиков Н.А и др. Энергосбережение и водоподготовка, 2003, №2, с. 13-20.

44. Испытания детандер-генераторного агрегата на ТЭЦ-21 АО «Мосэнерго». Кудрявый В.В. и др. //Вестник МЭИ. 2001. - №2. - С. 1620.

45. Опыт эксплуатации детандер-генераторного агрегата на ТЭЦ-21 Мосэнерго. Гуськов Ю.Л. и др.//Электрические станции. 2003. - №12. -С. 15-17.

46. Гаряев A.A. Применение детандер-генераторных агрегатов для повышения экономичности и надежности работы компрессорных станций в системе транспорта газа. Дис. канд. техн. наук. М., 2008.199 с.

47. Андреев А.Р. Использование детандер-генераторных технологий как способ повышения эффективности работы котельных. Автореферат дис. . канд. техн. наук. М., 2007. -20 с.

48. Соловьев Р.В. Определение эффективности детандер-генераторных агрегатов при использовании вторичных энергетических ресурсов промышленных предприятий. Автореферат дис. . канд. техн. наук. — М., 2010. -20 с.

49. Джураева Е.В. Исследование схем использования детандер-генераторных агрегатов в энергетике и системах газоснабжения. Дис. . канд. техн. наук. М., 2005. -155 с.

50. ГОСТ 30319.0-96. Газ природный. Методы расчёта физических свойств. Общие положения. М., Изд-во стандартов, 1996.

51. ГОСТ 30319.3-96. Газ природный. Методы расчёта физических свойств. Определение физических свойств по уравнению состояния. М., Изд-во стандартов, 1996.

52. Волков М.М., Михеев A.JL, Конев К.А. Справочник работника газовой промышленности.М.: Недра, 1987.

53. Методы и программное обеспече-ние расчетов высокоэффективных дроссельных циклов на смесях / Лунин А.И. и др.// Тезисы докладов Междунар. научно-практич. конф. "Криогенная техника науке и производству", Москва, ЦИНТИХимнефтемаш, 1991.

54. I. Wichterle, R. Kobayashi Vapor-liquid equilibrium of methane-ethane-propane system at low temperatures and high pressures/ Journal of Chemical and Engineering Data, vol.17, No 1, 1972, p.13-18.

55. H.C.Weise, J.Jacobs, B.H. Sage Phase equilibria in the hydrocarbon systems. Phase behavior in the methane-propane-n-butane system/ Journal of Chemical and Engineering Data, vol.15, No 1, 1970, p.82-91.

56. Центробежные компрессорные машины. Чистяков Ф.М. и др. М.: Машиностроение, 1969.

57. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: Изд-во МВТУ им Н.И. Баумана, 1998.

58. Анализ существующих методик расчета процесса расширения природного газа в утилизационных детандерных установках. Жигулина Е.В. и др. // Пятнадцатая Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. докл. М., 2009. - Т.2.- С. 479.

59. Расчеты процессов в элементах и установках с использованием природного газа при вариации его параметров и состава. Жигулина Е.В. и др. // Надежность и безопасность энергетики. 2009. - №2(5). — С. 4047.

60. Я. Шаргут, Р. Петела. Эксергия. М., «Энергия», 1968. 279 с. с ил.

61. Alternative Energie aus der Erdgasentspannungsani age. Gas Warme Int.-1989.-38. s. 7.-s. 439.-нем.

62. О подогреве газа в детандер-генераторных агрегатах. //Агабабов B.C. и др. //Энергосбережение и водоподготовка. -2001. №1. С. 38-42.

63. Сравнительный анализ схем подогрева природного газа при применении УТДУ на ТЭС. Хромченкова Е.В. и др. // Тринадцатая Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. докл. М., 2007. - Т.2. -С. 556.

64. Жаркова М.В., рук. Жигулина Е.В. ДГА на ТЭЦ-23 филиала ОАО «МОСЭНЕРГО». // Пятнадцатая международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Тез. докл. М., 2009. - Т.2.- С. 479.

65. Сазанов Б.В., Ситас В.И. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1990.

66. Анализ схемы применения детандер-генераторных агрегатов на ТЭС с подогревом природного газа паром из отборов турбин. Жигулина Е.В. и др. // Шестнадцатая Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. докл. М., 2010. -Т.2. - С.

67. Жигулина Е.В., Калинин Н.В., Хромченков В.Г. Использование пара для подогрева природного газа при применении детандер-генераторных агрегатов на тепловых электрических станциях. // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №2 (64). - С. 29-32.

68. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат. -1981.-110 с.

69. Сычев В.В., Вассерман A.A., Термодинамические свойства метана. М.: Издательство стандартов, 1979.

70. Термодинамический анализ схем применения детандер-генераторных агрегатов на тепловых электрических станциях. Жигулина Е.В. и др. // Надежность и безопасность энергетики. — 2009. №3(6). - С.

71. Повышение эффективности работы детандер-генераторных агрегатов на ТЭС. Жаркова М.В. и др. // Шестнадцатая Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. докл. М., 2010 . -Т.2. - С. 10.

72. Официальный сайт ОАО «Мосэнергосбыт» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.mosenergosbyt.ru .- 05.02.2011.

73. Свободная энциклопедия «Википедия» Электронный ресурс. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org. - 05.02.2011.

74. Яковлева И.Н. / Как рассчитать ставку дисконтирования и риски для производственного предприятия. // Справочник экономиста. 2008. -№9.