Разработка математической модели автономного источника электроснабжения газорегуляторных пунктов на базе роторного детандер-генераторного агрегата малой мощности в среде Aspen HYSYS
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛЕЗНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГРП С ПРИМЕНЕНИЕМ ДГА 9
1.1 Актуальность использования ДГА в газораспределительных системах 9
1.2 Инновационность применения ДГА малой мощности в системах
газораспределения и анализ рыночных трендов в данной области 14
1.3 Анализ и сравнение распространенных конструкций детандеров 15
1.3.1 История, конструкции и области применения поршневых детандеров 16
1.3.2 История, конструкции и области применения турбодетандеров 20
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДЕТАНДЕРА В ГРП И КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ АГРЕГАТА 25
2.1 Обзор принципиальных схем включения детандера в ГРП для выработки
электроэнергии 25
2.2 Технические требования к разрабатываемой схеме включения ДГА в ГРП, детандеру и системе автоматики 30
2.2.1 Технические требования к разрабатываемой схеме включения ДГА в ГРП . 30
2.2.2 Технические требования к детандеру 31
2.2.3 Технические требования к системе автоматического управления, контрольно-измерительным приборами и автоматике, диспетчеризации и связи 31
2.2.4 Регулирование ДГУ. Требования к выходным параметрам ДГУ. Алгоритм
регулирования ДГУ 34
2.3 Разработка принципиальной схемы включения детандера в ГРП 36
2.4 Разработка конструктивного исполнения агрегата 40
2.5 Описание конструктивной части ДГА 43
2.5.1 Общие сведения 43
2.5.2 Корпус ДГА 43
ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БЛОКА ДГА В СРЕДЕ
ASPEN HYSYS 45
3.1 Статическая модель блока ДГА, работающая в теплый и холодный периоды года 45
3.2 Динамическая модель блока ДГА 56
3.3 Оценка величины электроэнергии, сэкономленной за счет применения на ГРП ДГА малой мощности в роли автономного источника электроснабжения 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 67
Приложения 68
В последние годы в следствие повышения спроса на различные энергоресурсы, большое внимание к себе привлекает проблема рационального использования энергии, что в свою очередь влечет за собой и проблемы, связанные с энергосбережением в различных сферах энергетической деятельности, в том числе и в системах газотранспорта и газораспределения, а также использования нетрадиционных источников энергии. Говоря о программах энергосбережения, следует отметить, что одной из ключевых мер по энергосбережению является рациональное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР). Особое внимание следует уделить как энергосбережению, так и увеличению энергоэффективности транспортируемого природного газа, к чему и побуждает Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 N 261-ФЗ (последняя редакция).
В нашей стране создана и функционирует самая обширная и масштабная газотранспортная и газораспределительная сети в мире. На долю ПАО «Газпром» приходится около 70% объемов добычи газа в стране. Протяженность лишь магистральных сетей составляет 160 тысяч километров, помимо этого ПАО «Газпром» имеет в совокупности огромное количество газораспределительных организаций. При транспортировке природного газа по магистральным трубопроводам, давление в них должно составлять несколько десятков атмосфер, чаще всего около 75 атмосфер. Потребителю же требуется природный газ с давлением существенно ниже, чем в магистральном газопроводе, поэтому часть давления транспортируемого газа редуцируется на газораспределительных станциях (ГРС) от значения 7,5 МПа до 1,2+1,5 МПа, далее происходит повторное понижение давления газа на газораспределительных пунктах (ГРП) от 1,2 МПа до 0,2 МПа.
Сброс давления на классических ГРС и ГРП происходит с помощью дроссельных устройств, в которых безвозвратно теряется и никак не используется весь потенциал перепада давлений природного газа. Одним из решений задачи энергосбережения в системах газоснабжения - это использование детандер- генераторного агрегата (ДГА), устанавливаемого вместо дросселирующих устройств на ГРП или ГРС, в этом случае детандер будет являться генератором так называемой бестопливной электроэнергии, получаемой в электрогенераторе. Детандер-генераторные агрегаты, являющиеся утилизаторами избыточной энергии транспортируемого природного газа на ГРС или ГРП, также могут применяться и в роли газового двигателя. Возможная эксплуатация ДГА возможна не только в схемах ГРС или ГРП, а также и на компрессорных станциях. К явному положительному аспекту применения данного способа редуцирования природного газа можно отнести то, что газ после прохождения через детандер, в котором он используется лишь в качестве рабочего тела, поступает далее по газопроводам к потребителю, он не сжигается, следовательно, наблюдается полное отсутствие вредных выбросов в окружающую среду. С каждым годом детандеры становятся все более и более перспективной областью для исследований, но, к сожалению, рынок ДГА малой мощности (менее 5 кВт) почти не востребован в сравнении с ДГА мощностью от 1,5^7 МВт.
В связи с ежегодным ростом населения Земли, энерговооруженности труда, наблюдается стремительное увеличение темпа добычи и потребления энергетических ресурсов. Наша страна не является исключением. Вопрос энергосбережения остро стоит в каждой промышленной отрасли, в том числе и в системах газотранспорта газораспределения.
За последнее столетие технический прогресс прошел различные этапы развития и становления. Благодаря этому, прежде чем рассуждать о целесообразности той или иной меры по энергосбережению в конкретной области, имеется возможность смоделировать любую технологическую схему с применением специального программного обеспечения для выявления трудностей или нюансов в ходе ее эксплуатации.
В выполненной работе рассматривалась актуальность и возможность полезного использования перепада давлений природного газа в детандер - генераторном агрегате малой мощности с целью выработки электроэнергии для покрытия собственных нужд здания ГРП. Моделирование процессов производилось в среде Aspen HYSYS с помощью моделей, работающих в статическом и динамическом режимах. Результатом моделирования в статическом режиме является получение зависимостей мощности ДГА от количества природного газа, направляемого в линию ДГА как для теплого, так и для холодного периодов года. Динамическая модель позволила получить зависимости процента открытия регулирующего клапана, массового расхода газа, величины мощности ДГА, изменяющихся во времени. Данные зависимости также позволяют проследить работу системы автоматического регулирования подачи газа к ДГА. В процессе моделирования приобретены практические навыки работы в среде Aspen HYSYS. Произведен простейший оценочный расчет количества электроэнергии, которую можно сэкономить при применении рассматриваемого способа энергосбережения в системах газораспределения.
