Абитуриенту    Студенту    Преподавателю    Заочный факультет    Авиационный колледж    Версия для слабовидящих
 

Научно-исследовательские работы в направлении развития энергосберегающих технологий

Очевидно, не стоит убеждать внимательного читателя в целесообразности проведения тотального энергосбережения в России, начиная от индивидуального жилья и заканчивая крупными энергоемкими корпорациями страны, работающими в энергетической и нефтегазовой отрасли.

Ученые Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьёва в тесном сотрудничестве с ЗАО НПВП "Турбокон" активно участвуют в разработке проектов, связанных с внедрением энергосберегающих технологий в различных отраслях промышленности. В частности, научно-исследовательским коллективом кафедры "Общая и техническая физика" под руководством д.т.н., профессора Пиралишвили Ш.А. выполняются работы по государственному контракту на тему "Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области технических наук по научному направлению - переработка и утилизация техногенных образований и отходов". Проектно-конструкторские работы выполняются специалистами ЗАО НПВП "Турбокон".

Контракт направлен на совершенствование известных потенциальных возможностей безтопливного производства электроэнергии на базе компрессорных станций ОАО "Газпром".

Деятельность Газпрома, как крупнейшей газодобывающей и газотранспортной компании мира (20% от мировой добычи, 17% запасов газа в мире), оказывает значительное влияние на эффективность энергоиспользования в России. Доля природного газа в энергетике России за последние годы возросла и составляет более 50%. Группа Газпром обеспечивает более 10% валового продукта страны и приблизительно 25% налоговых поступлений. Потенциал энергосбережения Газпрома оценивается на уровне примерно 4% от Российского потенциала энергосбережения в целом. Однако, с учетом доминирующей роли газа в топливном балансе страны потенциал энергосбережения в сфере добычи, транспортировки и использования газа далеко не ограничивается указанной цифрой 4%. В настоящее время только ОАО "Газпром" ежегодно продолжает потреблять на собственные технологические нужды (СТН) около 80 млн. т у.т. Расход топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на СТН имеет тенденцию к росту, что обусловлено ростом объемов добычи газа. При этом основная часть расхода ТЭР - порядка 94% приходится на природный газ (63 млрд.м3). Более 85% потребления приходится на магистральный транспорт, на долю добычи газа, конденсата и нефти приходится всего около 12%, на остальные виды деятельности - примерно 3%.

ОАО "Газпром" располагает крупнейшей в мире газотранспортной системой транспортировки газа, в состав которой входит 22 газотранспортных предприятия. По состоянию на конец 2009 г. общая протяженность магистрального газопровода составляет около 161 тыс. км, в том числе из труб диаметром 1420 мм - 49 тыс. км. В 720 компрессорных цехах, входящих в состав 260 компрессорных станций (КС), находятся в эксплуатации более 4000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с различным типом привода общей мощностью 43,8 млн.кВт. Затраты на транспортировку газа составляют до 9% от общего объёма транспортируемого продукта. В настоящее время на КС используются различные типы газотурбинного привода, дифференцированные по мощности. Это промышленные, судовые, авиационные двигатели, в том числе и газотурбинные установки ряда зарубежных фирм. Общее число ГПА с газотурбинным приводом в настоящий момент равно 2520 агрегатов с общей мощностью в 27,1 ГВт. Кроме того, 605 ГПА имеют электрический привод с общей установленной мощностью 5,3 ГВт. Период формирования газотурбинного привода составляет более 40 лет, что привело к достаточно большому разбросу типов (более 20) используемых газотурбинных приводов по мощности, по конструкции и по термическому коэффициенту полезного действия. Единичная мощность газотурбинных приводов изменяется от 2,5 до 25 МВт, а их термический кпд 0,23..0,4. Одной из особенностей термодинамического цикла ГТД является сравнительно высокая температура газов на выходе из отводящего патрубка или соплового устройства. В зависимости от типа газотурбинного привода она составляет 400:600 °С, а её истинное значение для конкретной машины зависит от степени сжатия, условий на входе в двигатель и режима его работы. Учитывая отмеченный уровень температуры отходящих на выходе газов утилизация их энергии в форме тепла может быть организована многими способами с применением различных утилизационных технологий.

В настоящее время эффективный КПД газоперекачивающих агрегатов не превышает 25-30%, но даже в случае его повышения до 40% оставшиеся 60% энергии, часть которой можно использовать, выбрасывается в окружающую среду. Известно наиболее простое и очевидное решение проблемы утилизации тепла уходящих газов, которое заключается в надстройке над газотурбинным агрегатом простого паротурбинного цикла, работа которого осуществляется между двумя источниками тепла - уходящими газами и окружающей средой. Однако, несмотря на это подобные технологии не нашли применения, что обусловлено отсутствием заинтересованности газоперекачивающих компаний в их внедрении без поддержки государства. В последнее время вопрос об их использовании ставится все более остро, в связи с тенденцией к глобальному энергосбережению и снижению загрязнения окружающей среды выбросами диоксида углерода и тепла.

Задача повышения экономической эффективности привода лежит в области утилизации тепла уходящих газов и производства на ее основе электрической энергии без привлечения дополнительного сжигания топлива. При этом могут применяться две технологии. Первая - традиционная для ПГУ, основана на использовании паровых котлов-утилизаторов: достаточно металлоемких и громоздких установок, которые необходимо размещать рядом с боксом газотурбинного нагнетателя газа, что порождает множество технических проблем. Во второй технологии по предложению специалистов ЗАО НПВП "Турбокон" предполагается установка над каждым агрегатом ГПА вместо парового котла надстройки в виде компактного газоводяного нагревателя, в котором вода высоко давления (~6 МПа) нагревается до температуры ~250°С и подается в расширитель сепаратор, где вскипает при давлении 0,8:1,0 МПа. Образовавшийся отсепарированный пар поступает на конденсационную турбину, а вода после сепаратора в смеси с конденсатом пара возвращается в газоводяные теплоутилизаторы.

Эффективность второй схемы с технико-экономических позиций обеспечивается двумя причинами. Первая из них состоит в возможности подогреть большее количество воды до отмеченной температуры из-за отсутствия необходимости затраты большого количества энергии тепла уходящих газов на теплоту испарения воды при ее преобразовании в процессе фазового перехода первого рода в паровом котле-утилизаторе. А вторая, как уже ранее было отмечено, в существенном снижении габаритов и металлоемкости утилизационного оборудования, компактности и более высокой технологичности при компоновке.

С термодинамических позиций необходимо решать оптимизационную задачу по подбору параметров пара, обеспечивающих наиболее рациональный утилизационный эффект, как с точки зрения термодинамики, так и исходя из экономической целесообразности принятой технологии утилизации бросового тепла при комплексном решении проблемы энергосбережения. Таким образом, ГПА при таком способе утилизации будет работать по циклу комбинированной газопаровой установки.

Выполненный на кафедре общей и технической физики РГАТА термодинамический анализ простого цикла газотурбинного привода компрессорной станции ГПА-10РМ подтвердил целесообразность поиска наиболее рациональной технологии утилизации бросового тепла отработавших газов, так как значительная часть исходной энергии топлива на турбине (примерно 76%) выбрасывается в окружающую среду с уходящими газами. Анализ надстройки ГПА котлом-утилизатором с паровой турбиной существенно улучшил экономическую ситуацию установки (7,5 МВт). Около 60% бросовой энергии уходящих газов можно преобразовать в полезную работу, сократив при этом суммарные потери энергии вводимого топлива на треть (14,5 МВт против 22 МВт). Несколько меньшие значения (на 2-3%) полезно используемой энергии уходящих газов достигаются в цикле с сепаратором-расширителем и водогрейным котлом-утилизатором, что связанно с существенной необратимостью процессов при редуцировании давления воды.

Оценочные расчеты по эффективности внедрения энергосберегающих технологий на базе уже существующих в эксплуатации газотурбинных установок привода нагнетателей показывают, что только за счет утилизации тепла уходящих газов в простом паросиловом цикле можно сэкономить более 13,6 млрд.нм3 в год с соответствующим бесполезным снижением теплового загрязнения окружающей среды. Только в ОАО "Газпром" возможно создание электрогенерирующих мощностей общим объёмом, превышающим 5 млн.кВт с соответствующей годовой выработкой электроэнергии до 40 млрд.кВт x час. Предлагаемые решения, таким образом, носят существенный экономический и социальный эффект. В частности они позволят создать в наукоемком энергомашиностроительном секторе производства паротурбинных установок малой и средней мощности до 10000 новых рабочих мест. Полезно заметить, что в основе предлагаемой технологии утилизации тепла лежат известные теплоутилизаторы, уже апробированные на практике в технологических процессах.

Материал статьи подготовлен в процессе работы над Государственным контрактом № 02.740.11.0414.

Дополнительная информация

email: root@rsatu.ru     

      152934, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, РГАТУ.