Турбодетандерная установка (ДГУ)

Турбодетандерная установка

Турбодетандерная установка – энергетическая установка, предназначенная для получения электроэнергии с использованием имеющегося перепада давления в магистральных газопроводах на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах.

Турбодетандерная генераторная установка относится к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом и применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа. Назначением предлагаемой турбодетандерной генераторной установки (ТДУ), которая представляет собой электрогенератор (ЭГ) с турбодетандерным приводом (ТД), является выработка электрической энергии на основе преобразования потенциальной энергии природного газа в трубопроводе. Причем ТДУ используют на объектах газопотребления, например, на газорегуляторных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (ГРС), где давление в трубопроводе на входе составляет 0,3-1,2 МПа. Полученная с помощью ТДУ электрическая мощность может использоваться для собственных нужд потребителя. Потребителем таких ГРП могут быть, например, котельные. Таким образом, ТДУ может быть использована в качестве автономного источника энергии малой мощности. Система отбора энергии потока ПГ из газопровода для ТДУ применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа, а также для утилизации вырабатываемого генератором тепла. Назначением этой системы является ее использование на объектах газопотребления, например, на газорегуляторных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (ГРС). Кроме того, возможна установка такой системы с ТДУ методом врезки как в уже существующие магистрали и их запорную арматуру, внутри уже построенного и эксплуатирующегося ГРП (ГРС), так и установка ТДУ на этапе проектирования и строительства ГРП (ГРС).

Электрическую энергию в ГРП для собственных нужд в настоящее время получают от распределительных электрических сетей. Однако для целей электропотребления для собственных нужд прокладка специальных кабельных распределительных сетей от высоковольтных линий дорога, при их эксплуатации возникают дополнительные технические трудности, и кроме того, нерентабельна. Предлагаемое устройство позволяет на месте потребителей электроэнергии в ГРП (ГРС) непосредственно вырабатывать эту электроэнергию без существенных дополнительных затрат на их производство и доставку к потребителю по высоковольтному кабелю. Так вырабатываемая электроэнергия может использоваться для собственных нужд в контролируемых пунктах телемеханики ГРП, контрольно-измерительных приборах, устройствах сигнализации и прочих приборах, а также на местных радиорелейных станциях, пунктах катодной защиты газопроводов, пунктах управления арматурой.

Большинство потребителей электроэнергии, находящихся на вышеуказанных точках управления и обслуживания газовых магистралей, являются слаботочными. Для оборудования, чье энергопотребление несколько выше, устанавливаются различные преобразователи напряжения и энергонакопители (АКБ). Таким образом выходные параметры ДГУ-Uгн=27…70 В и с частотой 1…3 кГц, являются достаточными для питания определенного класса потребителей. Но известные из уровня техники электроагрегаты, используемые для этих целей либо маломощные, например, их мощность не превышает 5-30 кВт, поскольку как правило используют одноступенчатые турбины лопаточного типа. (см.Беседин С.Н. И др. «Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной», Газотурбинные технологии, 2010 г., с.10-13), либо слишком мощные, например, турбодетандер компании RMG (Германия), который обладает мощностью 160 кВт, т.е. как минимум в 8 раз превышающей мощность, необходимую для ГРС.

Таким образом, до настоящего времени электрогенераторы с турбодетандерным приводом в диапазоне мощностей от 0,4 кВт до максимальной единичной мощности 1 кВт не разрабатывались.

Первая в Беларуси детандер-генераторная установка введена на Лукомльской ГРЭС 28 февраля 2000 г. Мощность энергоустановки — 5 тыс. кВт. Турбодетандер представляет собой двухступенчатую газовую турбину, скорость вращения которой равна 9600 оборотов/мин. Через понижающий обороты редуктор турбодетандер приводит во вращение ротор генератора со скоростью 3000 оборотов/мин. Турбодетандер подключен по газу параллельно с ГРП. Давление газа перед ГРП 11-12 атмосфер, после ГРП — 1,25 атмосфер.

При расширении газа в турбодетандере снижается его температура. Минимальная температура газа на выхлопе турбодетандера допускается ниже 20°С, поэтому перед подачей газа в турбодетандер необходимо обеспечить его подогрев. Для подогрева газа используется сетевая вода из теплотрассы ГРЭС-Новолукомль. Подогрев газа осуществляется в теплообменнике "Газ-Вода" (поверхность теплообмена 661 м2, завод-изготовитель ОАО "Коростеньский завод химического машиностроения"). Сетевая вода после этого теплообменника поступает на теплообменники Т-3А и Т-3Б, которые предназначены для подогрева газа после турбодетандера до положительной температуры (приблизительно от 1 до 3°С) перед подачей его на котлоагрегаты электростанции.

После теплообменников Т-3А, Т-3Б сетевая вода поступает в бак сетевой воды и насосом сетевой воды откачивается в обратную магистраль сетевой воды из Новолукомля.

Для использования тепла технической воды после воздухоохладителя генератора и маслоохладителя системы смазки детандер-генератора установлен теплообменник Т-1, в котором это тепло используется для подогрева газа, а охлажденная техническая вода по замкнутому контуру снова поступает на маслоохладитель и воздухоохладитель генератора. Выдача мощности детандер-генераторной установки осуществляется по кабельной трассе 10,5 кВ на подстанцию Новолукомля.

Разработчиком этой экологически чистой энергосберегающей технологии является фирма "Криокор АО" (Москва). С ней и был заключен договор на поставку оборудования для детандер-генераторной установки Лукомльской ГРЭС. На тот момент фирма "Криокор" уже ввела в действие на ТЭЦ-21 "Мосэнерго" и эксплуатировала две детандер-генераторные установки по 5 тыс. кВт.

Проект сооружения ДГУЭ-5000 Лукомльской ГРЭС выполнен институтом "БелНИПИэнергопром". Строительные работы — филиалом СУ Лукомльской ГРЭС ОАО "Лукомльэнергомонтаж", организацией "Электроцентромонтаж" и другими специализированными организациями. Наладочные работы выполнили "Криокор-Украина", "Констар" (Харьков), "Белэнергоремналадка." Тип детандер-генератора — ДГА-5000. Ресурс работы — 120 тыс. часов. Капитальный ремонт — через 20 тыс. часов работы, регламентные работы выполняются через 750 часов, 1500 часов, 3000 часов, 6000 часов работы и далее через каждые 3000 тыс. часов. Расход газа: толчок ротора — 17 тыс. м3, холостой ход — 47 тыс. м3, 5 мВт — 145 тыс. м3.

Заданное давление газа на выходе из детандера поддерживается дозирующим клапаном. При аварийном отключении турбодетандера поддерживается дозирующим клапаном. При аварийном отключении турбодетандера закрывается стопорный клапан (время быстродействия до 0,3 сек/на байпасном блоке), и заданное давление поддерживается регулятором давления газа в течение 5 мин. Этого достаточно, чтобы регуляторы ГРП вступали в работу.

Система автоматического управления и регулирования детандер-генераторной установки разработана фирмой "Констар" по техническому заданию фирмы "Криокор-Украина". Система должна обеспечивать функционирование ДГУЭ-5000 в автоматическом режиме, а также в режиме дистанционного управления. Технологические схемы с указанием мест расположения точек контроля параметров, арматуры, регуляторов выводятся на монитор, и машинист ДГУ с помощью компьютерной мыши может дистанционно управлять режимом работы установки. Однако на дисплее нет текущих значений большинства параметров (а их свыше 70), а также нет сигнализации об отклонении того или иного параметра. Это затрудняет работу машиниста ДГУ.

В процессе эксплуатации удалось отработать режим пуска и остановки ДГУЭ-5000 в автоматическом режиме. Есть намерение усовершенствовать САУ ДГУЭ-5000 с привлечением специалистов БелТЭИ, но из-за отсутствия средств эти планы отодвигаются.

На сегодняшний день детандер-генераторная установка имеет наработку 9700 ч. Выработано 21,2 млн. кВт/ч дешевой экологически чистой электроэнергии, сэкономлено свыше 5 тыс. т у.т. Эти показатели могли бы быть в 2 раза лучше, но в летнее время (когда есть возможность по расходу газа нести полную нагрузку на детандере) приходится работать на нагрузке 2,2–2,3 МВт из-за жесткого лимитирования температуры сетевой воды, подаваемой в Новолукомль. В зимнее время, когда температура сетевой воды позволяет загрузить детандер, сделать это невозможно из-за малых лимитов поставки газа на электростанцию. БелНИПИэнергопром разработал проектную документацию на монтаж автономной системы подогрева газа, что позволит существенно улучшить показатели работы ДГУЭ-5000.

Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии составляет 72 г/кВтч. Для сравнения: на энергоблоках 300 МВт Лукомльской ГРЭС эта величина составляет 316,1 г/кВтч.

Вопросами исследования технико-экологических показателей работы ДГУ по договору с электростанцией занимается БНТУ (бывшая БГПА). Руководитель работ — профессор Аркадий Качан.

В целом можно констатировать, что детандер-генераторная установка представляет собой вполне надежную и эффективно работающую энергосберегающую технологию. Это подтверждает не только двухлетний опыт работы, но и опыт почти 8-летней эксплуатации двух турбодетандерных установок мощностью по 5 тыс. кВт на ТЭЦ-21 "Мосэнерго". У них нет проблем с газом, температурой сетевой воды, следовательно, оба детандера работают в базовом режиме. Вырабатывают в месяц почти 7 млн. кВтч электроэнергии. При том, по решению мэра Москвы эта экологически чистая электроэнергия оплачивается в двойном размере. Но эти установки давно уже себя окупили. Себестоимость отпущенной ДГУ электроэнергии составляет 12,725 BYR/кВтч. По электростанции эта величина составляет 28,45 BYR/кВтч.

При вводе в эксплуатацию автономной системы подогрева газа, поступающего на ДГУ, эти показатели будут улучшены в 2–2,3 раза. А при вводе второго детандера — в 4 раза, так как затраты на сооружение второго детандера практически в два раза ниже, чем первого, а это ведет к снижению амортизационных отчислений — самой большой доли условно-постоянных затрат. Кроме того, не потребуется увеличения эксплутационного персонала. Оба комплекса будут обслуживаться имеющимся сегодня персоналом.