Расчетно-экспериментальное обоснование характеристик, конструктивных схем и практическая реализация микротурбодетандерных генераторов электрической энергии для собственных нужд газораспределительных станций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Харисов, Ирек Саитгалиевич

• Харисов, Ирек Саитгалиевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Харисов, Ирек Саитгалиевич

Оглавление

^ / < ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И

ДИАПАЗОНА ИЗМЕНЕНР1Я ПАРАМЕТРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА

ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ». ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО СОЗДАНИЮ

СОВРЕМЕННЫХ МИКРОТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

1.1. Анализ потребителей электрической энергии и диапазона изменения параметров природного газа на газораспределительных станциях ООО «Газпром Трансгаз Санкт-Петербург»

1.1.1. Собственные потребности грс в электрической и тепловой энергии

1.1.2. Потребности в электроэнергии на собственные нужды

1.1.3 .-Потребности в тепловой энергии на собственные нужды

1.1.4. Потребности в тепловой энергии на подогрев технологического газа

1.2. Анализ мирового уровня разработок и эксплуатации

{

1.2.1. Типовой пример расшрительной турбины турбодетандерного блока

к

устройства БУГЭ-ГРС разработки ООО «Газоснабжение», ООО «ВНИИГАЗ» и ОАО «Концерн Энергомера»

1.3. Постановка целей и задач исследований

Глава 2. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫЛ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, И ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Структура турбодетандерной установки и особенности работы турбодетандерной установки на ГРС

2.2. Выбор и обоснование к основным элементам турбодетандерных установка

2.2.1. Выбор и обоснование расширительной турбины турбодетандерной установки

2.2.2. Выбор типа и обоснование подшипников турбодетандерной установки

2.2.3. Выбор типа и обоснование электрогенератора и преобразователя турбодетандерной установки

2.2.3.1. Выбор типа и обоснование электрогенератора турбодетандерной установки

2.2.3.2. Обоснование выбора типа электрического преобразователя

Глава 3. ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ РАСШИРИТЕЛЬНЫХ ТУРБИН. КОНСТРУКТИВНАЯ

СХЕМА ТУРБОДЕАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Разработка требовании к турбине и её режимным и геометрическим параметрам

3.2. Предварительный выбор кинематических и термодинамических параметров расширительной турбины

w i "

3.3. Термодинамический анализ параметров тепловой схемы с расширительной турбиной конструкции ЛПИ

3.3.1. Определение температуры газа за турбиной

3.3.1.1 Оценка расхода газа через расширительную турбину конструкции ЛПИ

3.3.2. Обоснование типа облопачивания соплового аппарата и рабочего колеса

3.3.3. Определение числа сопловых и рабочих лопаток

3.4. Оптимизационные расчеты по определению внутреннего КПД и расхода рабочего тела базового варианта расширительной турбины. Уточнение

i

геометрических параметров

3.5. Расчетное исследование влияния геометрических характеристик на показатели расширительной турбины

3.6. Разработка и описание схемы проточной части расширительной турбины

3.7. Профилирование соплового аппарата и лопаток рабочего колеса турбины

3.8. Расчёт осевых усилий на роторе расширительной турбины

3.9. Описание конструктивной схемы турбодетандерной установки

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАЛОРАСХОДНОЙ ТУРБИНЫ МДГ-20 С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННЫХ

МЕТОДОВ

4.1. Анализ структуры потока в ступени ЛПИ

4.2. Исследования влияния конструктивных элементов на эффективность ступени

4.2.1. Исследования влияния разгрузочных отверстий на эффективность ступени

4.2.2. Исследования влияния безлопаточной части соплового аппарата на

эффективность ступени

4.2.3. Методический аспект подготовки и проведения трехмерных

газодинамических расчетов

Заключение по выполненным расчетным исследованиям

Глава 5. ПРОЧНОСТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТУРБИНЫ РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАЛОРАСХОДНОЙ ТУРБИНЫ ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ МДГ-20

• !

5.1. Описание исходных геометрических параметров рабочего колеса турбины139 Глава 6. НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Выбор промышленного объекта для размещения микротурбодетандерного генератора

6.2. Описание экспериментального стенда

6.3 Объекты исследования

6.4. Методики проведения натурного эксперимента и обработки натурных

экспериментальных данных

6.4.1 Методика и программа проведения натурного эксперимента

6.4.2. Методика обработки натурных экспериментальных данных

6.4.3. Термодинамические характеристики рабочего тела (природного газа)

6.4.4 Состав и физико-химические показатели природного газа

6.4.5. Особые свойства газа

6.5. Результаты расчетно-экспериментальных и натурных исследований МДГ-20

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

А. 1. Анализ мирового уровня разработок и эксплуатации. Описание зарубежных

турбодетандеров для ГРС. Турбодетандер фирмы АББ

А. 1.1. Турбодетандер фирмы Ротофлоу

А. 1.2. Турбодетандер фирмы Атлас Копко

А. 1.3. Турбодетандер фирмы RMG

А. 1.4. Описание турбодетандеров для ГРС производства СССР и РФ

А.1.5. Турбодетандер ОАО «Турбогаз»

А. 1.6. Турбодетандер ООО «Криокор»

S I

А. 1.7. Турбодетандер НЛП «Газэлектроприбор»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное обоснование характеристик, конструктивных схем и практическая реализация микротурбодетандерных генераторов электрической энергии для собственных нужд газораспределительных станций»

ВВЕДЕНИЕ

Место газораспределительных станций в единой системе газоснабжения РФ

Энергосбережению в газовой промышленности в последнее время начали уделять значительное внимание. Вышедший 09.10.2000 г. приказ № 77 председателя правления ОАО «Газпром» «Об организации работ по энергосбережению в ОАО «Газпром» определяет основные направления деятельности в этой области. В их числе — разработка энергосберегающих мероприятий в сфере распределения газа, производстве и использовании электрической и тепловой энергии на общепромышленные нужды [1,9,59].

В данной работе будет рассмотрена возможность использования энергии сжатого газа, которая раньше просто «выбрасывалась», для производства электрической и в дальнейшем тепловой энергии с помощью турбодетандера природного газа на газораспределительных станциях (ГРС).

Для начала рассмотрим газотранспортную систему России, чтобы понять какое место в ней занимают ГРС.

Рисунок В.1. Организация транспорта газа

Основные месторождения газа в России расположены на значительном расстоянии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по газопроводам различного диаметра. При прохождении газа возникает трение потока о стенку трубы, что вызывает потерю давления. Например, при расходе

газа 90 млн. Нм /сут по трубе 0 1400 мм давление убывает с 7,6 до 5,3 МПа на участке L=110 км. Поэтому транспортировать природный газ в достаточном количестве и на большие расстояния, только за счёт естественного пластового давления нельзя. Для этой цели необходимо строить компрессорные станции (КС), которые устанавливаются на трассе газопровода через каждые 100... 150 км.

Перед подачей газа в магистральные газопроводы его необходимо подготовить к транспорту на головных сооружениях, которые располагаются около газовых месторождений. Подготовка газа заключается в очистке его от механических примесей, осушки от газового конденсата и влаги, а также удаления, при их наличии, побочных продуктов: сероводорода, углекислоты и т.п.

При падении пластового давления, около газовых месторождений строят, так называемые, дожимные компрессорные станции, где давление газа перед подачей его на КС магистрального газопровода поднимают до уровня 5,5-7,5 МПа.

Транспортировка газа от мест добычи до потребителя осуществляется по промысловым, магистральным и распределительным газопроводам. На пути газа от месторождения к потребителю строятся различные сооружения.

шмШт

® газокомпрессорная станция (ГКС); (^подземное газохранилище (ПГХ);

(8?станция катодной защиты у ¿9) потребители газа;

{^азораспрсденительнай станций (ГрС).

! ф железная дорога;

) автомобильная дорога; фрека; (§) овраг;

Рисунок В.2. Типичный участок газопровода Обычно газопроводная труба, диаметром более метра, прокладывается под землёй на глубине 3...4 метра. При строительстве газопровода приходится преодолевать железные и автомобильные дороги, заводить газопровод под реки и прокладывать переправы через овраги.

Летом газа требуется в два раза меньше чем зимой. Поэтому в подземные газохранилища (ПХГ) летом закачивают лишний газ, а зимой, при его недостатке - выкачивают. Характерный вид графиков переменного режима работы газопровода при изменении его производительности показан на рисунке В.З

Схема сезонного колебания расхода газа крупного пром ышленного

Рисунок В.З. Схема сезонного колебания расхода газа

Режим работы современного газопровода, несмотря на наличие станций подземного хранения газа, являющихся накопителями природного газа, характеризуется неравномерностью подачи газа в течение года. В зимнее время газопроводы работают в режиме максимального обеспечения транспорта газа. В случае увеличения расходов, пополнение системы обеспечивается за счёт отбора газа из подземного хранилища. В летнее время, когда потребление газа снижается, загрузка газопроводов обеспечивается за счёт закачки газа на станцию подземного хранения газа [1].

Под землёй газопроводная труба подвергается коррозии. Для борьбы с коррозией, помимо битума и изоляции, широко распространена так называемая катодная защита (КЗ): на специальной станции на трубу подают небольшой электрический потенциал, чтобы постоянный ток, проходящий от металла трубы к земле, препятствовал коррозии.

На магистральном газопроводе около крупных потребителей газа сооружаются газораспределительные станции для газоснабжения потребителей. Основными потребителями газа являются: Объекты газонефтяных месторождений (собственные нужды); Объекты газокомпрессорных станций (собственные нужды); Объекты малых, средних и крупных населённых пунктов, городов; Электростанции, промышленные предприятия.

Снабжение газом потребителей от магистральных и промысловых газопроводов является основным назначением газораспределительных станций ГРС. Следовательно, ГРС располагается на границе между магистральными и распределительными газопроводами.

Перед подачей газа потребителям, необходимо понизить давление газа до

*" 1 «

безопасного уровня (например, на кухне газ выходит из конфорки под давлением

л'

в 0,005 атмосферы).

Также для безопасности в газ добавляют одорант - этилмеркаптан, придающий газу знакомый «газовый запах» (так как газ метан запаха не имеет). После этого по газопроводам-отводам газ поступает потребителям. ГРС выполняет следующие функции:

■ очищает газ от механических примесей и конденсата;

■ редуцирует газ до заданного давления и поддерживает его с заданной точностью;

■ измеряет и регистрирует расход газа;

■ осуществляет одоризацию газа перед подачей потребителю;

■ обеспечивает подачу газа потребителю в соответствии с ГОСТ 5542-87. По конструкции все ГРС подразделяются на:

■ Станции индивидуального проектирования;

■ Автоматические (АГРС);

■ Блочно-комплектные (БК-ГРС)

ГРС могут быть классифицированы не только по их конструкции, что удобно при изучении их устройства и принципа работы, но и по назначению, что

удобно при рассмотрении вопросов их эксплуатации. По назначению различают несколько типов ГРС:

■ станции на ответвлении магистрального газопровода (на конечном участке его ответвления к населённому пункту или промышленному объекту);

■ контрольно-распределительные пункты;

■ промысловая ГРС;

■ автоматическая ГРС;

■ газорегуляторные пункты (ГРП);

■ газорегуляторные установки.

Для выполнения этих функций ГРС имеет соответствующие технологические узлы, показанные на схеме, рисунок В.4.

Рисунок В.4. Узлы основного технологического блока ГРС

- Узел переключения (УПР);

- узел очистки газа (УО);

- узел замера расхода газа (УЗ);

- узел подогрева газа (УП);

- узел редуицирования (УР);

- узел одоризации газа (ОУ).

Эти узлы составляют основной технологический блок ГРС. Кроме основного технологического блока в состав ГРС входят:

- блок управления;

- блок источников контрольно-измерительных приборов и автоматики

В состав газораспределительной станции входят следующие осноомы* узлы:

(КИПиА).

Узлы блока управления КИПиА связаны функционально и соответствуют узлам основного технологического блока.

Также ГРС имеет укрытия для основных блоков, дом операторов (на отдельной площадке) и вспомогательные блоки связи, электрохимической защиты, охранной сигнализации (см. рисунок В.5).

Рисунок В.5. Структурная схема ГРС

В этом столетии, по многочисленным исследованиям экспертов, будет наблюдаться резкое возрастание роли природного газа в энергетике многих стран. Опубликованные прогнозы свидетельствуют, что к 2030 году потребление газа в мире может удвоиться, а межрегиональные поставки утроиться. В России за 20 лет планируется увеличение добычи природного газа на 27 %, и общий объем добываемого газа будет достигать 750 млрд. куб. м в год [1,6].

Доля природного газа в мировом топливно-энергетическом комплексе, как ожидается, в первой половине XXI века возрастет до 30 %, а в России к 2015 году составит 57%.

Для достижения цели стабильного, бесперебойного и экономически эффективного удовлетворения постоянно возрастающего внутреннего и внешнего спроса на природный газ, энергетической стратегией России на период до 2020

года предусматривается сокращение потерь и снижение затрат на всех стадиях технологического процесса при добыче, подготовке и транспорте газа, а также решение задач ресурсо- и энергосбережения.

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 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 данной диссертации.

Использование турбодетандеров на ГРС 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

I I

I 5

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

У

обслуживает потребителей газа. Так как газ транспортируется при давлении, во много раз выше, чем требуется конечному потребителю, то между трубопроводами транспорта газа и сетью его распределения установлены. ГРС, в основном, состоящие 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 [2].

* у.

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.

Использование 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 и влаги в проточной части турбины, приводящего к снижению ее надежности. Для этого необходимо, чтобы температура газа за турбиной составляла не менее плюс 5°С. Кроме того, необходимо, чтобы она не превышала допустимую температуру, гарантирующую надежную работу теплоизоляционного и антикоррозийного покрытий газопровода (не более плюс

40°С). Подогрев газа повышает его внутреннюю энергию и, тем самым, мощность турбодетандера. Подогрев газа от 0°С до плюс 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 ГРС, так как 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 АББ и Атлас Копко. Наилучшие из них изготавливаются в течение многих лет заводом АББ в Брюсселе и имеют мощность от 1 до 3,5 МВт. В настоящее время владельцем этого завода является Атлас Копко.

На рисунке В.6 изображена принципиальная схема турбодетандерной установки указанных выше фирм.

Рисунок В.6. Принципиальная схема турбодетандерной установки АББ 1-турбина; 2— электрогенератор; 3 - регулятор давления; 4 - регулирующий клапан; 5 - подогреватель газа; 6 - газопровод высокого давления; 7 - байпасный трубопровод; 8 - регулятор давления; 9 - байпасный клапан; 10 - газопровод

низкого давления

Природный газ поступает к установке по газопроводу высокого давления 6, проходит подогреватель 5, регулирующий клапан 4 и расширяется в турбине 1. Отдав свою энергию турбине 1, газ через газопровод низкого давления 10 поступает к потребителю. Мощность турбины 1 передается генератору 2, производящему электрический ток.

Природный газ нагревается в подогревателе 5 для предотвращения выпадения из него влаги и тяжелых фракций (гидратов, пропана, бутана и т.п.). Для этого необходимо, чтобы температура газа за турбиной составляла около 5°С.

Регулирующий клапан 4 турбины 1, управляемый регулятором давления 3, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа до турбины 1 в газопроводе низкого давления 10.

Байпасный трубопровод 7 используется в процессе пуска установки, ее нормального и аварийного выводов из работы. В этих случаях байпасный клапан 9, управляемый регулятором давления 8, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа в газопроводе низкого давления 10.

Таким образом, турбодетандеры утилизируют собственные энергетические ресурсы газотранспортной системы (полезно неиспользуемый 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.

У

"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

у

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, маловероятно, 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,

у

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.

Автономные источники электроснабжения для ГРС

Основными потребителями электроэнергии на ГРС являются: электропитание контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), насосы для принудительной циркуляции воды в системе отопления, либо электрообогрев помещений, внутреннее и наружное освещение, а также установки защиты от электрохимической коррозии металла труб газопроводов. Общая потребляемая мощность ГРС обычно не превышает 10...20 кВт при требовании Ш-ей категории надёжности электроснабжения. Электроснабжение ГРС предусматривается, как правило, от ближайшей ЛЭП через трансформаторную подстанцию с напряжениями 380/220 В.

В целом, в газовой отрасли накоплен обширный опыт создания систем автономного электропитания, как с помощью традиционных источников электроэнергии, так и нетрадиционных - утилизирующих собственные энергетические ресурсы отрасли (перепады давлений газа, "бросовое" тепло), или использующих возобновляемые источники энергии - ветер, солнце. Однако,

наиболее перспективным представляются агрегаты, использующие собственные ресурсы газотранспортной системы (необходимость редуцирования сжатого газа) и хорошо и хорошо встраивающиеся в технологическую цепочку вместо редуцирующих устройств. Такими агрегатами являются турбодетандеры.

-Преимущества использования турбодетандера в качестве автономного источника электроснабжения ГРС изложены в работе [2].

В связи с актуальностью поставленных задач по развитию автономного энергоснабжения газораспределительных станций на собственные нужды и высокой востребованностью их на,рынке локальных источников электрической энергии, были выполнены исследования по научно-техническому обоснованию и созданию микротурбодетандерных генераторов для ГРС. Всё вышесказанное определяет высокую актуальность диссертационной работы.

Структура и содержание диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и приложения. Во / введении показано место газораспределителъных станций (ГПС) в единой системе газоснабжения РФ. Приведена структура и содержание диссертационной работы. Рассмотрены области применения микротурбодетандерных генераторов с расширительной турбиной (в литературе такие установки называют турбодетандеры). Сформулированы основные требования к микротурбодетандерным генераторам, показана их преимущества и эффективность использования, обоснована актуальность темы диссертации. В первой главе выполнен анализ потребителей электрической и тепловой энергий и диапазона изменения параметров природного газа на газораспределительных станциях ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». Вторая глава посвящена выбору конструктивной, характеристик турбодетандерной установки, формированию требований, выбору и обоснование типа основных элементов турбодетандеров. В третьей главе разработаны требования к расширительной турбине, выполнен термодинамический анализ параметров тепловой схемы с расширительной турбиной, на основе оптимизационных расчётов, обоснован

выбор типа турбины, геометрических и режимных параметров проточных частей расширительной турбины, обоснован тип облопачивания соплового аппарата и рабочего колеса, проведен анализ переменных режимов расширительной малорасходной ступени для турбодетандерной установки. В четвёртой главе представлены результаты теоретического исследования расширительной малорасходной турбины МДГ-20 с помощью трехмерных численных методов. Выполнено исследование структуры потока в расширительной малорасходной турбине и определены характеристики расширительной малорасходной турбины. Пятая глава посвящена ^прочностному обоснованию турбины расширительной малорасходной турбины турбодетандерной установки МДГ-20. Выполнены расчеты и описание напряженно-деформированного состояния рабочего колеса, Определены коэффициенты запаса прочности и рабочего колеса турбины. В шестой главе приведено описание натурного стенда, объекта исследования, методики проведения экспериментальных и натурных исследований и обработки натурных данных. Представлены результаты натурных исследований МДГ-20. Приведены заключение, список литературы и приложение, в котором приведено описание отечественных и зарубежных турбодетандерных установок.

Глава 1. АНАЛИЗ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И

ДИАПАЗОНА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ». ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО СОЗДАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

1.1. Анализ потребителей электрической энергии и диапазона изменения параметров природного газа на газораспределительных станциях ООО «Газпром Траисгаз Санкт-Петербург»

1.1.1. Собственные потребности грс в электрической и тепловой энергии

у

Потребности ГРС в электричестве и тепле зависят от многих факторов, основными из которых являются: назначение, месторасположение, размеры зданий и сооружений, расчётная зимняя температура воздуха, нормативная снеговая нагрузка, нормативная ветровая нагрузка и т.д. В зависимости от удалённости от крупных населённых пунктов и от формы обслуживания рядом со станцией строятся дома операторов, для проживания обслуживающего персонала, которые тоже нуждаются в тепловой и электрической энергии. Газораспределительные станции часто оснащаются котельными.

1.1.2. Потребности в электроэнергии на собственные нужды

Потребителями электроэнергии на ГРС являются технологическая нагрузка насосов для принудительной циркуляции воды в системе отопления, приборов КИПиА, внутреннее и наружное освещение, а также установки защиты от коррозии (ЭХЗ).

' • 21

Электроснабжение ГРС предусматривается от ближайшей ЛЭП или от существующей трансформаторной подстанции напряжением 380/220 В. Питающая линия выполняется на железобетонных опорах.

Электросети на площадке ГРС выполняется кабелями, проложенными в земле, в траншее.

Наружное освещение площадки осуществляется прожекторами типа ПЭР-250, -устанавливаемыми на молниеотводе типа МЖ-24,3. Сеть наружного освещения - кабель АП с ВГ=0,66 кВт, уложенный в траншее.

В соответствии со СНиП П-4-79 норма освещённости проезда и наружного технологического оборудования - 2 лк.

Нормы освещённости ГРС приняты на основании СНиП П-4-79. Рабочее освещение принято на напряжение 220 В, ремонтное - 12 В. Питание сети рабочего и аварийного освещения осуществляется от двух разных групп осветительного щита.

• •■ (V

Для защиты от коррозии подземных инженерных коммуникаций ГРС, а также газопровода от ГРС до домика оператора (ДО), применяют специальные катодные станции или преобразователи, которые представляют собой источники постоянного тока с регулируемым или фиксированным выходным напряжением. Мероприятия по электрохимической защите от коррозии регудируются ГОСТ 9.602-89 «Единая система защиты от коррозии и старения» и ГОСТ 25812-83 «Общие требования к защите от коррозии».

Катодные станции по схемному исполнению делятся на автоматические (ПАСК-М, ТДЕ9) и неавтоматические (КСС, ПСК, ТСКЗ). Ниже приведены значения номинальной электрической мощности некоторых из них.

Таблица 1.1. Мощности различных станций катодной защиты

Тип СКЗ КСС-1200/48 КСС-1200/24 ксс- 600/48 КСС-600/24 КСС-300/48 КСС-300/24 ПАСК -1,2 ПСК-1,2

Номинальная мощность, кВт • 1,98 1,98 0,99 0,99 0,515 0,515 1,2 1,2

Дом оператора и хозяйственные постройки получают электрический ток напряжением 380/220 В от существующей трансформаторной подстанции с подвеской проводов на железобетонных опорах в соответствии с выданными техническими условиями пригородных электрических сетей. Общая потребляемая мощность ДО и хозяйственных построек от 3 до 5 кВт. Категория нагрузки по надёжности электроснабжения —III.

На графике на рисунке 1.2, изображены результаты выполненного анализа распределения потребностей ГРС типичного газопровода в электроэнергии по различным ГРС ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». Анализ показал, что общая потребляемая мощность ГРС обычно не превышает 10...20 кВт при требовании Ш-ей категории надёжности электроснабжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харисов, Ирек Саитгалиевич, 2013 год

Список литературы

1. С.Н. Беседин, НА. Забелин, В.А. Рассохин, JI.JI. Плаксин, Г.А. Фокин. Разработка и создание нового класса автономных энергетических установок малой мощности для магистральных газопроводов, компрессорных и газораспределительных станций. Наука и техника в газовой промышленности

2. Беседин С.Н., Рассохин В.А., Фокин Г.А., Харисов И.С. Разработка и создание автономных : энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной на базе турбин конструкции ЛПИ для магистральных газопроводов и газораспределительных станций. ООО «НТЦ «Микротурбинные технологии»», ГОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

3. Фокин Г.А. Применение автономных химических и нетрадиционных источников электрической энергии для энергообеспечения линейных

у

потребителей магистральных газопроводов и газораспределительных станций. Научно-технические ведомости СПбГТГУ, ВАК. 4-1(89)2009

4. Фокин Г.А. Проблемы энергообеспечения линейных потребителей магистральных газопроводов и газораспределительных станций. Часть 1// Научно-технические ведомости СПбПТУ - 2009 - №4.

5. Фокин Г.А. Проблемы энергообеспечения линейных потребителей магистральных газопроводов и газораспределительных станций. Часть 2// Научно-технические ведомости СПбПТУ- 2009 - №4.

6. Челазнов A.A., Иванов A.B., Великий С.Н. Состояние и перспективы применения автономных источников на объектах ОАО «Газпром» // Перспективы применения автономных источников для электроснабжения линейных

у

потребителей: Материалы заседания Научно-технического совета ОАО «Газпром» - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - с. 14-34.

7. Великий С.Н., Даки Н.В., Геращенко А.Г., Данильянц И.А., Бондаренко A.B. Применение автономных источников питания для электроснабжения газораспределительных станций // Перспективы применения автономных

» ' î 171

источников для электроснабжения линейных потребителей: Материалы заседания Научно-технического совета ОАО «Газпром» - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. -С. 75- 83.

8. Андреев C.B., Забелин H.A., Петров С.П., Рассохин В.А. Создание автономного локального источника электрической энергии для электроснабжения линейных потребителей на базе малорасходной турбины конструкции ЛПИ // Перспективы применения автономных источников для электроснабжения

у

линейных потребителей: Материалы заседания Научно-технического совета ОАО «Газпром» - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - с. 113-124.

9. Голубев C.B. Варианты построения систем электроснабжения линейных потребителей магистральных газопроводов // Перспективы применения автономных источников для электроснабжения линейных потребителей: Материалы заседания Научно-технического совета ОАО «Газпром» - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - с. 6 -14.

10. К. Исомура, Ш. Того, Ш. Танаки (Япония) «Исследование высокоскоростных микроподшипников и динамики роторов для газовых микротурбин».

11. Подшипники с газовой смазкой / Под ред. Н.С.Грэссема и Дж.У.Пауэлла / Пер^с англ. под ред. С.А.Харламова.- М.: Мир, 1966.- 423 с.

12. Болдырев Ю.Я., Григорьев Б.С., Заблоцкий Н.Д., Лучин Г.А. и др.-Прецизионные газовые подшипники// под. ред. Филиппова А.Ю. и Сипенкова И.Е., СПб., ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2007, с.504.

13. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. - Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин на кафедре ЭКАО МЭИ. // Вестник Московского Энергетического Института. М.: Изд-во МЭИ, 2007. №3. с.45-50.

14. A.C. №934749. Газодинамический подшипник./Захарова Н.Е., Маханьков Е.П., Брагин А.Н., Баранов В.Г., Листратов Н.И. // Бюллетень, 1983, №21.

15. Гидродинамическая теория смазки: Сб. классических работ / Под ред. Л.С. Лейбензона.- М.-Л.:Тостехтеориздат, 1934.- 245 с.

16. Шейнберг С.А. Газовая смазка подшипников скольжения (теория и расчет) // Трение и износ в машина.- 1953.- Вып. 8.- с. 107-204.

17. Лучин Г.А., Пешти Ю.В., Снопов А.И. Газовые опоры турбомашин.- М.: Машиностроение, 1989.- 240 с.

18. Сытин A.B. Решение комплексной задачи расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников.- //Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Орел, Орловский государственный технически университет 2008,201с.

19. Лойцянский Л.Г." Механика жидкости и газа.- М.: Наука, 1987.- 840 с.

20. Пинегин С.В., Захарова Н.Е., Брагин А.Н. Некоторые конструктивные особенности лепесткового газодинамического подпятника. / // Трение и износ. Т.2. 1981, №6. с.1017-1021.

21. Брагин А.Н., Сигачев С.И. Демпфирование в лепестковом газовом подшипнике. // Трение и смазка в машинах. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Сентябрь, 1983г., Челябинск. Челябинск: тип. «Транспорт», 1983. с.143-144.

22. Левина Г.А., Смирнов В.В., Захарова Н.Е., Брагин А.Н., Бояршинова А.К. Исследование лепестковых газовых опор. // Трение, износ и смазочные материалы. Труды международной научной конференции. Тезисы докладов в 5-и томах. Том IV. Ташкент, 1985. Изд-во Ташкентского политехнического института, 1985. с.43-44.

23. Сигачев С.И., Семенов A.A., Брагин А.Н. Повышение виброустойчивости лепестковых газовых подшипников. // Газовая смазка в машинах и приборах. (Всесоюзное научно-координационное совещание, 18-20 сентября 1989г., г.г. Ростов-на-Дону - Новороссийск). Тезисы докладов. М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1989. -с.128.

24. Левина Г.А., Бояршинова А.К. Решение упругогидродинамических задач и анализ нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического подпятника с профилированными лепестками // Машиноведение.- 1989.- № 5.- с. 88-94.

25. Агишев Г.Г., А.В.Гужиев, И.В.Курбатов Лепестковый газодинамический подшипник. В сб. Материалы межвузовской научно- практической конф. «Проблемы подготовки инженерных кадров ВМФ по обеспечению эффективной эксплуатации вооружения и военной техники». СПб.:ВМИИ, 2011, 499с.

26. Агишев Г.Г., А.В.Гужиев, И.В.Курбатов К расчету динамических

у

характеристик радиального лепесткового подшипника. В сб. Материалы межвузовской научно- практической конф. «Проблемы подготовки инженерных кадров ВМФ по обеспечению эффективной эксплуатации вооружения и военной техники». СПб.:ВМИИ, 2011, 499с/ <

t н . >

27.Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки / Пер. с англ.-М.: ГИФМЛ, 1963.-635с.

28. Peng, Z.-C., and Khonsari, М.М., 2006, "AThermohydrodynamic Analysis of Foil Journal Bearings"ASME J. of Tribology, 128(3), pp. 534-541.20.

29. 20. Дроздович B.H.- Газодинамические подшипники, Л., Машиностр., 1976, с.207.

30. А.С.Кельзон, Ю.П.Циманский, В.И.Яковлев. «Динамика роторов в упругих опорах», М., «Наука», 1982 .

31. Бать М.И., Дженалидзе Г.Ю., Кельзон A.C.- Теоретическая механика в примерах и задачах, том 2, М., Наука, с.664.

32. Делекторский Б.А., Мостяев Н.З., Орлов И.Н. Проектирование гироскопических электродвигателей.- М.: Машиностроение, 1968, 252с.

33. DellaCorte, С.: "Stiffness and Damping Coefficient Estimation of Compliant Surface Gas Bearingsfor Oil-Free Turbomachineiy," NASA/TM—2010-216924, ASME/STLE IJTC 2010-41232

34. Бусурин B.H., Иванов B.A., Рассохин B.A. Многоцелевые автономные энергетические установки малой мощности (статья). Теплоэнергетика №3, 1993.

35. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Высоконагруженные малорасходные ступени 'ЛПИ для перспективных турбоустановок. Сб. научных трудов. Исследование элементов теплоэнергетических установок. Изд. БГТУ. Брянск. 1999.

36. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Аэродинамическое совершенствование проточных частей перспективных паровых и газовых турбин. Экспериментальное исследование решеток с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.323152, 1984.

37. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Оптимальный относительный шаг турбинных решёток (статья). НИИинформ-энергомаш, № 267 ЭМ-85ДЕП от 28.05.85

38. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. О выборе оптимального шага турбинных решеток турбопривода (статья). «Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок». Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции. Владивосток. 1985

39. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование сверхзвуковых решеток профилей малорасходных турбин. Отчёт ЛПИ, т.323151, Л., 1987, инв. № 0287.0089569

40. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование турбин малой пропускной способности с большим относительным шагом (статья). Труды ЛПИ, №426, 1988

41. Кириллов И.И., Гринкруг Л.С., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Выбор оптимальных геометрических параметров осевых малорасходных турбин. // Тез. Докл. Всесоюзной научно-технической конф.: Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение. 28-29 января 1987г. - Л., 1987. -С. 118-119.

42. Рассохин В. А. Турбины конструкции ЛПИ: Преимущества, характеристики, опыт разработки и применение. Энергомашиностроение. Труды СПбГПУ, № 491. Изд. Политехнического университета, СПБ, 2004.

43. Рассохин В.А. Выбор параметров малорасходных турбин. Методические указания / СПбГТУ. СПб., 1997

44. Рассохин В.А., Фершалов Ю.Я. Сопловые аппараты с малым углом выхода // Труды ДВГТУ. Сер. 3. Кораблестроение и океанотехника. -Владивосток, 1993. - Вып. 111.-с.75-78.

j

45. Рассохин B.A., Садовничий В.Н., Черников В.А. Высоконагруженные ступени для перспективных паровых и газовых турбин (тезисы на немецком языке). XXX Коллоквиум Техн. Университет. Дрезден. 1998

46. Экспериментальные исследования решеток профилей с большим относительным шагом: Отчёт / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. - № 323152; Инв. № 0284.0054811. Л., 1984.-67 с.

47. Дроздович, В.Н. Газодинамические подшипники/ В.Н.Дроздович //Ленинград.-Машиностроение,- 1976.-182 с.

'г- , \ - ^ - а

48 Лучин, Г.А. Газовые опоры турбомашин/ Г.А.Лучин, Ю.В.Пешти, А.И.

» 1 i

Снопов // М.:Машиностроение.- 1989. - 276 с.

49. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники НГТУ, Новосибирск 2001

50. Разработка и производство силовой электроники, Каталог продукции и применений, Корпорация Триол, 2002.

51. Климов В.П. Источники бесперебойного питания серии ДНК средней мощности, Электрическое питание, №2,2006.

~52. В.Климов, А.Москалев Трехфазные источники бесперебойного питания: схемотехника и технические характеристики, Электронные компоненты, №8, 2005.

53. В.Климов, С.Климова Энергетические показатели источников

бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты, №4, 2004.

!__

54. Воробьев А.Ю. Влияние ИБП на систему электроснабжения, Вестник связи, №7, 2006.

55. Агунов A.B. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки, Электротехника, №2, 2003.

56. Теория турбомашин, издание второе, переработанное и дополненное,

у

Ленинград, изд. Машиностроение, 1972].

57. Рассохин В.А., Забелин H.A., Раков Г.Л., Себелев A.A., Смирнов М.В. Опыт численного моделирования течения в малорасходных ступенях конструкции ЛПИ. «ANSYS Advantage», №17, 2012, с. 26 - 33; [3].

58. [Забелин H.A., Раков Г.Л., Рассохин В.А., Себелев A.A., Смирнов М.В. Исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ. //Научно-технические ведомости №1 (166). Изд-во СПбГПУ. Санкт-Петербург, 2013. с. 45-53. [4]],

59. www.turboexpanders.ru/zapch

60. Харисов И.С., Рассохин В.А., Забелин H.A., Матвеев Ю.В.. Методика проведения экспериментальных исследований ступеней турбоустановок малой мощности на стендах СПбГПУ. Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012 г., № 1(142), с. 119-123