Лыков Алексей Викторович. Выбор и расчетное обоснование характеристик утилизационной паротурбинной установки для выработки электроэнергии на собственные нужды газоперекачивающих компрессорных станций

Краткое описание

Лыков Алексей Викторович. Выбор и расчетное обоснование характеристик утилизационной паротурбинной установки для выработки электроэнергии на собственные нужды газоперекачивающих компрессорных станций: диссертация ... кандидата технических наук: 05.04.12 / Лыков Алексей Викторович;[Место защиты: ФБ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»].- Санкт-Петербург, 2014.- 229 с.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И ТР АС ПОРТНЫХ СИСТЕМ КАФЕДРА «ТУРБИНЫ, ГИДРОМАШИНЫ И АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»

л і На правах рукописи
0420146060 і F м

Лыков Алексей Викторович
ВЫБОР И РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УТИЛИЗАЦИОННОЙ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
Специальность:
05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель к.т.н., проф. Забелин Н.А.
Санкт-Петербург—2014
Введение 6
Г лава 1. Обзор и состояние вопроса по использованию вторичных энергоресурсов в газопаровых установках. Постановка задачи и цели исследования 11
1.1 Классификация и источники вторичных топливно-энергетических ресурсов (ВЭР) на промышленных предприятиях и транспорте 11
1.2 Обзор реализованных проектов по использованию ВЭР на промышленных предприятиях 14
1.3 Обзор реализованных проектов по использованию ВЭР на компрессорных станциях линейных газопроводов 16
1.3.1 Парогазовая установка компрессорной станции «Грязовец» 16
1.3.2 Блочный утилизационный энергокомплекс на компрессорной станции «Чаплыгин» 18
1.3.3 Газопаротурбинная установка «Водолей» на газоперекачивающей станции «Ставищенская» 22
1.3.4 Компрессорный агрегат с парогазовым приводом на компрессорной станции в Мальнове (Германия) 23
1.3.5 Теплоутилизационные установки на газопроводе «Northern Border Pipeline» США 26
1.3.6 Микротурбодетандерный генератор на газораспределительной станции «Сертолово» 29
1.4 Обзор современных паротурбинных установок малой мощности 32
1.4.1 Паровые турбины группы компаний ТУРБОПАР 32
1.4.2 Паровые турбины малой мощности Калужского турбинного Завода ....34
1.4.3 Турбины Невского завода 35
1.4.4 Малые паровые турбины «Ютрон - паровые турбины» 36
1.4.5 Паровые турбины Электротехнического Альянса 36
1.4.6 Турбины малой мощности конструкции ЛПИ 38
1.5 Методики расчета комбинированных установок 41
1.6 Постановка цели и задачи исследований 46
Глава 2. Анализ располагаемой тепловой мощности уходящих газов и эмиссии загрязняющих веществ газоперекачивающих агрегатов единой системы газоснабжения России 48
2.1 Общие сведения о единой системе газоснабжения России 48
2.2 Структура парка газоперекачивающих агрегатов единой системы газоснабжения России 51
2.3 Оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов газоперекачивающих агрегатов газотранспортной системы России 58
2.4 Расчет мощности эмиссии загрязняющих веществ от единой системы газоснабжения России 63
2.5 Оценка роста тарифов на электроэнергию в России 77
2.6 Определение мощности необходимой для собственных нужд компрессорной станции «Северная» 79
2.7 Выводы по главе 2 80
Глава 3. Исследование режимных характеристик газотурбинной установки TAURUS 60 S по методике СПБГПУ 82
3.1 Технические характеристики газотурбинной установки TAURUS 60 S 82
3.2 Описание тепловой схемы ГТУ TAURUS 60 S 85
3.3 Расчет тепловой схемы ГТУ 86
3.3.1 Расчет тепловой схемы ГТУ со свободной турбиной 86
3.3.2 Тепловая схема ГТУ с охлаждаемой высокотемпературной турбиной.. 94
3.3.3 Определение параметров рабочего процесса в характерных сечениях проточной части ГТУ при использовании стандартного углеводородного топлива 100
3.3.4 Уточнение параметров рабочего процесса и характеристик ГТУ при учете зависимости теплоемкости рабочего тепла от температуры 103
3.4 Результаты расчета тепловой схемы ГТУ 106
3.5 Выводы по главе 3 108
Глава 4. Выбор тепловой схемы, разработка методики расчета утилизационной паротурбинной установки и проведение численного эксперимента 109
4.1 Выбор и описание тепловой схемы ГПУ 109
4.2 Расчет тепловой схемы ГПУ 110
4.2.1 Выбор температурных напоров в пинч-пунктах 110
4.2.2 Составление математической модели ГПУ 111
4.2.3 Расчет основных параметров тепловой схемы ГПУ 113
4.2.4 Расчет тепловой схемы ГПУ по программе GateCycle и по программе морского технического университета 119
4.3 Результаты исследования тепловой схемы ГПУ с одноконтурным котлом- утилизатором 123
4.3.1 Влияние температуры окружающей среды на показатели ГПУ 123
4.3.2 Влияние давления в конденсаторе на показатели ГПУ 125
4.3.3 Влияние минимального температурного напора на холодном конце испарителя котла-утилизатора на показатели ГПУ 126
4.3.4 Влияние относительного внутреннего КПД паровой турбины на показатели ГПУ 128
4.4 Гидравлический расчет котла-утилизатора 129
4.4.1 Расчет площади нагрева пароперегревателя 129
4.4.2 Компоновочный расчет пароперегревателя 134
4.4.3 Гидравлический расчет пароперегревателя 136
4.5 Выбор параметров парового контура ГПУ по результатам проведенных исследований 138
4.6 Выводы по главе 4 141
Глава 5. Утилизационная паротурбинная установка с органическим рабочим теплом 142
5.1 Выбор и описание тепловой схемы ГПУ с промежуточным контуром и органическим рабочим телом 142
5.2 Выбор теплоносителей промежуточного контура и органического рабочего тела парового контура 145
5.3 Расчет тепловой схемы ГПУ с промежуточным теплоносителем 148
5.3.1 Составление математической модели ГПУ с ОРТ........„^.,. 148
5.3.2 Выбор температурных напоров в пинч-пунктах 150
5.3.3 Расчет основных параметров тепловой схемы ГПУ с ОРТ 151
5.3.4 Результаты исследования тепловой схемы ГПУ с органическим рабочим
телом 158
5.3.5 Построение в T-s диаграммы органического цикла Ренкина и h-s
диаграммы процесса расширения пара органического рабочего тела 162
5.4 Выводы по главе 5 167
Глава 6. Сравнительный анализ утилизационной паротурбинной установки с пароводяным рабочим телом с характеристиками утилизационной паротурбинной установки с органическим рабочим телом и выдача
рекомендаций 169
Заключение 174
Список литературы 177
Список используемых сокращений и обозаначений 186
Приложение 1 190
Приложение 2 197
Приложение 3 200
Приложение 4 202
Приложение 5 214
Приложение 6 218
Актуальность работы
Россия располагает крупнейшими в мире топливно-энергетическими ресурсами. На территории России сосредоточено около 25% всех энергоресурсов планеты: 45 % мировых запасов природного газа, 13 % нефти, 23 % угля и 14 % урана. [1, с. 119, 2]. По запасам природного газа и его добыче Россия занимает 1-е место в мире [3, с. 128].
В тоже время Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов [4].
Распоряжением Правительства России №1715-р от 13.11.2009 г. принята «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.» [5]. В соответствии с этой стратегией одним из направлений развития газовой промышленности является развитие единой системы газоснабжения (ЕСГ) и ее расширение на восток России, усиление на этой основе интеграции регионов страны. При этом энергосбережение и энергоэффективность являются одними из важнейших направлений.
ЕСГ России является крупнейшей в мире газотранспортной сетью. В состав ЕСГ входят 161,7 тыс. км магистральных газопроводов и отводов, 215 линейных компрессорных станций с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов в 42 тыс. МВт, 6 комплексов по переработке газа и газового конденсата, 25 объектов подземного хранения газа [6].
Российская Федерация является собственником контрольного пакета акций ОАО Газпрома - 50,002% [5]. На компрессорных станциях ОАО «Газпром» эксплуатируется более 3200 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом. По количеству потребляемого топлива газовая промышленность в России занимает второе место после электроэнергетики.
Одним из основных направлений энергосбережения является утилизация
тепла уходящих газов газотурбинных установок (ГТУ). —
В настоящее время возрастает значение сохранения и охраны окружающей природной среды. Особенно актуальным становится вопрос связанные с эмиссией загрязняющих веществ (ЗВ) от газотранспортной системы. Также большое значение приобретают экологические характеристики ГТУ которые применяются для привода ГПА.
Обеспечение линейных компрессорных станций (КС) и других объектов ЕСГ электроэнергией на собственные нужды является одной из актуальных задач. Зачастую подвод линий электропередач к объектам ЕСГ является трудновыполнимым и дорогостоящим из-за их удаленности от крупных электростанций и единой электрической сети.
В тоже время теплота уходящих газов ГТУ может быть использована в комбинированных газопаровых установках (ГПУ) для выработки электроэнергии. Полученная электроэнергия может использоваться на собственные нужды КС или другими находящимися по близости промышленными и гражданскими объектами. Таким образов решаются сразу две важные задачи: утилизация тепла уходящих газов ГТУ и обеспечение КС электроэнергией на собственные нужды. Цели и задачи
Целью работы является разработка научно технической основы создания утилизационной паротурбинной установки (УПТУ) для обеспечения газоперекачивающих компрессорных станций ЕСГ России электроэнергией собственных нужд с учетом снижения экологической нагрузки на окружающую среду.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:
1. Анализ структуры парка ГПА единой системы газоснабжения (ЕСГ) России.
2. Оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов ГТУ ГПА ЕСГ России.
3. Определение мощности собственных нужд КС «Северная».
4. Выбор тепловой схемы и разработка методики расчета УПТУ в составе ГПУ.
5. Анализ существующих методик расчет ГПУ. -
Ъ. Выбор оптимальных режимных характеристик УПТУ в составе ГПУ.
7. Анализ возможности применения органических рабочих тел (ОРТ) в УПТУ.
8. Выбор тепловой схемы и разработка методики расчета УПТУ с ОРТ в составе ГПУ.
9. Оценка аэродинамического сопротивления котла-утилизатора.
10. Исследование экологических характеристик ГТУ парка ГПА ЕСГ России и оценка эмиссии парниковых газов и загрязняющих веществ от ГТУ ГПА ЕСГ России.
Научная новизна
1. На основе исследования парка ГПА ЕСГ России обоснованно применение ГПУ для выработки электроэнергии на собственных нужды КС.
2. Разработана методика расчета ГПУ для выработки электроэнергии только лишь для собственных нужд КС.
3. Рассмотрены традиционная схема ГПУ с одноконтурным котлом-утилизатором (КУ) и схема ГПУ с органическими рабочими телами (ОРТ) в которых используется лишь часть уходящих газов ГТУ.
4. Для компенсации аэродинамического сопротивления котла-утилизатора в рассматриваемых схемах ГПУ предусмотрен дымосос.
Теоретическая и практическая значимость
1. Разработана научно техническая основа создания утилизационной
паротурбинной установки для обеспечения газоперекачивающих
компрессорных станций электроэнергией собственных нужд.
2. Исследована структура парка ГПА ЕСГ России.
3. Произведена оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов ГПА ЕСГ России равная 87,9 ГВт, которая может быть использована для выработки электроэнергии.
4. Разработана методика расчета ГПУ с ОРТ для выработки электроэнергии собственных нужд КС.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы^ ^использовались- расчета о— экспериментальные методы исследования. Для проведения исследований были построены математические модели ГПУ с применением современных вычислительных систем.
Личный вклад автора состоит в разработке и обосновании научно технической основы создания утилизационной паротурбинной установки (УПТУ) для обеспечения газоперекачивающих компрессорных станций ЕСГ России электроэнергией собственных нужд.
Положения выносимые на защиту:
-Результаты исследования парка ГПА ЕСГ России по: структуре, мощности ГТУ, расходу и температуре уходящих газов ГТУ.
-Результаты проведенных оценок: располагаемой тепловой мощности уходящих газов ГТУ, мощностей выбросов NOx, С02, СО, СН4 в зависимости от типа ГПА и их количества.
-Обоснование тепловой схемы и параметров комбинированной ГПУ на базе ГТУ Taurus 60 для выработки электроэнергии собственных нужд КС «Северная» с одноконтурным КУ, а также тепловой схемы ГПУ с ОРТ. Степень достоверности и апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
1. Международная - научно практическая конференция «XXXVIII неделя науки
СПБГПУ», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 30-ноября- 05 декабря 2009 г.
2. «I Конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО
«Силовые машины» 25-26 ноября 2010 года.
3. Международная научно-практическая конференция «XXXIX Неделя науки
СПБГПУ», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 6-11 декабря 2010 г.
4. «II Конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО
«Силовые машины» 20-21 октября 2011 года,
5. «III Конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины» 31 октября-2 ноября 2012 года. — - —
6. Международная научно-практическая конференция «XLI Неделя науки
СПБГПУ», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 3-8 декабря 2012 г.
7. «IV Конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины» 7-8 ноября 2013 года.
8. Научно-практическая конференция с международным участием «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ», 2 - 7 декабря 2013 года.
Публикации
По теме диссертация опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 229 страницах, диссертация содержит 74 рисунка, 34 таблицы, список использованных источников, включающий 90 наименований и 6 приложений.

Список литературы

Заключение
Итогом диссертационной работы является разработка научно технической основы создания утилизационной паротурбинной установки для обеспечения газоперекачивающих компрессорных станций ЕСГ России электроэнергией собственных нужд с учетом снижения экологической нагрузки на окружающую среду на примере КС «Северная».
Получены следующие результаты:
1. Проведенный анализ структуры парка ГПА ЕСГ России показал, что общее количество ГПА достигает 4252 шт., из них: 3388 ГПА имеют газотурбинный привод (80%); 701 ГПА с электроприводом (16%); 163 ГПА с
газомотокомпрессорным приводом (4%). Широкое использование для привода ГПА получили следующие ГТУ: ГТК-10 (646 шт.); НК-16СТ (618 шт.); НК-12СТ (322 шт.); ДР-59Л (268 шт.).
2. Проведен анализ суммарной величины располагаемой тепловой мощности уходящих газов всех ГТУ ГПА ЕСГ России, которая составила 87.9 ГВт. Наиболее значительной располагаемой тепловой мощностью обладают следующие ГТУ: ГТК-10 (23664 МВт) и НК-16СТ (20541 МВт). Это объясняется количественным преобладанием этих типов ГПА в общем парке ГПА ЕСГ России и сравнительно низким их КПД.
3. Анализ распределения годовых мощности выбросов NOx, С02, СО, СН4 показал, что наиболее значительные мощности выбросов исходят от следующих типов ГТУ:
- по NOx от ГТК-10 (289897 т/год), НК-16СТ (175403 т/год), ДР-59 Л (46061 т/год), ГТН-25 (34986 т/год);
- по С02 от НК-16СТ (62720 тыс. т/год), ГТК-10 (38581 тыс. т/год), ДР-59 Л (17202 тыс. т/год), НК-12СТ (14905 тыс. т/год);
- по СО от НК-16СТ (556418 т/год), ГТК-10 (241004 т/год), НК-12СТ (71590 т/год), ДГ-90 Л (58952 т/год);
- по СН4 от НК-16СТ (556418 т/год), ГТК-10 (241004 т/год), НК-12СТ (71590 т/год), ДР-59 Л (1572 т/год).
4. На основе анализа годового электропотребления КС «СЕВЕРНАЯ» определена фактическая средняя потребленная электрическая энергия КС за 1 час: 308 кВт в зимний период (декабрь-февраль); 131 кВт в летний период (июнь- август). Обоснован выбор электрической мощности ПТ в 500 кВт.
5. По методике СПбГПУ проведены расчеты основных характеристики ГТУ TAURUS 60 S в зависимости от Пк и ta и определены температура и расход уходящих газов ГТУ: при ta = 15 °С t4 =488 °С, Gr=21.1 кг/с; при ta = 0 °С t4 =488 °С, Gr=19.7 кг/с; при ta= -15 °С t4 =488 °С, Gr=18.5 кг/с.
6. Для ГПУ с одноконтурным котлом-утилизатором и пароводяным рабочим телом выбраны и определены следующие основные параметры: начальное давление пара на входе в ПТ Ро=50 бар; начальная температура пара на входе в ПТ t0=457 °С; давление в конденсаторе Рк= 1,1 бар; относительный внутренний КПД ПТ т|оі =76%; электрическая мощность ПТ № =536 кВт; доля уходящих газов, направляемых в котел-утилизатор, составляет 41,8 % (9,1 кг/с); температура уходящих газов на выходе из КУ 218 ° С; полное аэродинамическое сопротивление КУ Ар=1023 Па; мощность электропривода дымососа 21 кВт.
7. Для ГПУ с промежуточным термомасляным контуром и ОРТ выбраны и определены следующие основные параметры: рабочее тело парового контура— пентан; рабочее тело промежуточного контура—термическое масло АМТ-300 Т; начальное давление пара на входе в паровую турбину Ро=25 бар; начальная температура пара на входе в паровую турбину t0=l 80 °С; давление в конденсаторе Рк= 1,1 бар; электрическая мощность ПТ NnT3=530 кВт; мощность собственных нужд NC.H.=29 кВт; расход пентанового пара Gn=6,2 кг/с; расход термического масла GM=11,5 кг/с; доля уходящих газов, направляемых в котел-утилизатор, составляет 35% (7,6 кг/с); температура уходящих газов на выходе из КУ 110 ° С; полное аэродинамическое сопротивление КУ Др1*=164 Па;
мощность электропривода дымососа 21 кВт.
На основе результатов проведенных исследований даны следующие рекомендации:
1. Применять на ГКС , на которых в качестве привода ГПА используются ГТУ, УПТУ с составе ГПУ для обеспечения ГКС электроэнергией на собственные нужды.
2. Использовать только часть уходящих газов ГТУ ГПА необходимую для выработки в УПТУ электроэнергии только на собственные нужды ГКС, направляя их с помощью шиберных заслонок в КУ.
3. Устанавливать за КУ дымосос, привод которого будет работать за счет части мощности вырабатываемой в УПТУ, т.к. в этом случае установка КУ вообще никак не влияет на показатели ГТУ.
4. Применять незамерзающие при низких температурах ОРТ.
5. На тех ГКС, где эксплуатируются ГТУ с характеристиками не отвечающим условиям применения ГПУ (ГТК-10 НК-16СТ НК-12СТ ДР-59Л) в качестве рабочего УПТУ применять ОРТ.
6. Среди рассмотренных ОРТ в УПТУ рекомендуется использовать пентан.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Видяпина, В.И. Экономическая география России: учебник - изд. перераб. и доп. / под общей ред. В.И. Видяпина и М.В. Степанова.— М.: ИНФРА-М: Российская экономическая академия, 2004.—568 с.
2. Арбузов, Ю. Д. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П.П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г.А. Борисов и др.— СПб.: Наука, 2002.— 314 с.
3. Морозова, Т.Г. Экономическая география России: учеб. пособие для вузов / Под ред. Т.Г. Морозовой.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.— 471 с.
4. Министерство энергетики Российской Федерации. Энергосбережение и энергоэффективность [Электрон. ресурс] // Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/activity/energoeffektivnost/
5. Министерство энергетики Российской Федерации [Электрон, ресурс] // Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/activity/oi 1 gas
6. Официальный сайт ОАО «Газпром» [Электрон, ресурс]// Режим доступа: http: //www. gazprom. ru/about/product і on/transportati on/
7. ГОСТ P 51387-99 Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. 1999. - 15 с.
8. Хараз, Д.И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д.И. Хараз.—М.: Химия, 1984. — 224 с.
9. Григоров, В.Г. Утилизация низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов на химических предприятиях. / В.Г. Григоров, В.К. Нейман, С.Д. Чураков. М.: Химия, 1987.— С. 240.
10. Розенгарт, Ю.И. Теплоэнергетика металлургических заводов: Учебник для вузов / Ю.И. Розенгарт, З.Л. Муралова, Б.З. Тенеровский и др.—М.: Металлургия, 1985,— 303 с.
11. Селиверстов, В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. / В.М. Селиверстов.— Д.: Судостроение , 1973.— 256 с.
12. Козаченко, А.Н. Энергетика трубопроводного транспорта газов: Учебное пособие / А.Н. Козаченко, В.И. Никишин, Б.П. Поршаков.— М. ГУП. Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2001.—400 с.