25 июня 2018

Комплексные энерго- и ресурсосберегающие решения, применяемые на объектах ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург».

В статье рассматривается ряд технологических решений, позволяющих вырабатывать электрическую и тепловую энергию, а также производить конденсацию воды с использованием тепловых процессов на газораспределительных и компрессорных станциях. В числе таких решений — утилизация тепла выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов, запатентованными в ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» установками, с целью отопления помещений компрессорных станций (далее КС), обогрева оборудования и коммуникаций; преобразование в электрический ток потенциальной энергии компримированного магистрального газа турбодетандерными установками, агрегатированными с надежными и доступными по цене серийными автомобильными электрогенераторами; конденсация воды для технологических нужд газораспределительных станций (далее ГРС) за счет понижения температуры газа при редуцировании. В статье также уделяется внимание решениям, повышающим ресурс оборудования объектов транспортировки и распределения природного газа, таким как модернизация системы смазки и суфлирования маслобаков газоперекачивающих агрегатов, оптимизация работы аппаратов воздушного охлаждения газа, отбор сжатого воздуха от осевого компрессора газотурбинного двигателя и его кондиционирование для технологических нужд КС, выработка газа из технологических коммуникаций компрессорных станций при плановых сбросах давления. Апробированные в производственных условиях комплексные энерго- и ресурсосберегающие решения ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» способствуют реализации задач корпоративной технической политики в области повышения эффективности производственных процессов и оптимизации капитальных и оперативных затрат. Они также созвучны общемировым тенденциям энергосбережения и энергоэффективности производственных процессов, ориентированных на сохранение благоприятного энергетического и экологического баланса, как отдельных государств, так и планеты в целом.

Сокращение потребления энергии и ресурсов всех видов — основной тренд развития цивилизации в настоящем и будущем. Запасы ископаемых энергоносителей не безграничны и не возобновляемы. Во многих странах мира действуют государственные программы развития, поддержки и стимулирования экологически чистых и энергосберегающих технологий, снижения потребления углеводородных энергоносителей. Наиболее наглядным примером технологического прорыва последнего времени с глобальным эффектом энергосбережения может считаться разработка светодиодных осветительных приборов и последующий бурный рост их производства. По данным Мирового энергетического совета (аккредитованный орган ОНН по проблемам энергетики) полная замена осветительных приборов накаливания на светодиодные приведёт к сокращению потребления электроэнергии, расходуемой в мире на освещение, на 80 %.

Как поставщик наиболее экологически чистого углеводородного топлива, ПАО «Газпром» имеет значительные возможности совершенствования технологических процессов и оборудования для сокращения потребления ресурсов и энергии от внешних источников.

Процессы транспортировки и распределения природного газа, специфика работы оборудования компрессорных и газораспределительных станций связаны с появлениями излишков тепловой и потенциальной энергии. Их утилизация и переработка может повысить как автономность самих станций, так и общую эффективность работы всей газотранспортной системы. В структуре ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» разработан и частично апробирован ряд технологических решений, основанных на утилизации «энергетических излишков» и иных ресурсосберегающих технологиях. Ниже подробно рассмотрим каждое из них.

Утилизация тепловой энергии выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов

Суммарная мощность 253 компрессорных станций ПАО «Газпром» составляет 46,7 тысяч МВт. Их выхлопные газы уносят в атмосферу до 100 тысяч МВт или более 86 000 Гкал/час. Норматив потребления тепловой энергии одной среднестатистической квартирой во время отопительного сезона составляет примерно 0,002 Гкал/час. Тепла, уходящего в атмосферу с выхлопными газами на объектах ПАО «Газпром», достаточно для обогрева в зимнее время 40 млн квартир, т.е., большую часть отечественной жилплощади, которая, согласно данным Росстата, составляет 61,5 млн квартир.

Прямое использование этой тепловой энергии для отопления невозможно, так как объекты газовой промышленности находятся вдалеке от крупных населенных пунктов. Существующие технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, как универсальный и легко передаваемый на большие расстояния вид энергии, сложны и нерентабельны. Требуется технологический прорыв — разработка и внедрение термоэлектрических преобразователей, способных эффективно работать в потоке выхлопных газов в температурном диапазоне 450÷750 °С, не требующих больших эксплуатационных затрат и высококвалифицированного сервиса. Такие разработки активно ведут США и Япония. Если удастся разработать пригодный для монтажа на выхлопном тракте газотурбинной установки (ГТУ) термоэлектрический преобразователь с КПД 3–5% — это, как минимум, решит проблему электроснабжения собственных (эксплуатационных) нужд на предприятиях ПАО «Газпром».

В настоящее время возможно только максимально использовать легко снимаемую тепловую энергию выхлопа газоперекачивающих агрегатов (далее ГПА) для всех коммунальных и технологических нужд КС.

Пример эффективного использования утилизированного тепла выхлопных газов ГПА имеется на таком объекте ООО «Газпром трансгаз Санкт Петербург» как КС «Северная». Четыре ГПА «Taurus 60S» мощностью по 5,2 МВт каждый оборудованы Установками утилизации тепла (далее УУТ) тепловой мощностью по 4,0 Гкал/час каждая. Все потребности в тепловой энергии промплощадки обеспечены утилизацией тепла выхлопных газов газотурбинных двигателей (далее ГТД). К их числу относятся:

• отопление зданий и сооружений;
• обогрев воздуха вентиляции укрытий ГПА;
• обогрев сосудов системы очистки газа;
• обогрев емкостей склада горюче-смазочных материалов (далее ГСМ);
• обогрев маслопроводов;
• обогрев дренажных трубопроводов;
• эффективная тепловая защита от обледенения крыш зданий в зимнее время (рисунки 1 и 2) и т.п.

Особенность утилизационных установок, используемых на КС «Северная», заключается в том, что их включение в работу не приводит к ухудшению параметров ГТД, так как отбор потока выхлопных газов в теплообменный аппарат производится за счет скоростного напора и тяги дымоходной трубы, без изменения сопротивления основного выхлопного тракта, всегда полностью открытого. Алгоритм управления УУТ предусматривает предпусковую проверку приводных устройств регулирующих поворотных заслонок и постоянный контроль их корректной работы, контроль потока теплоносителя через теплообменный аппарат и эффективную запатентованную систему охлаждения от перегрева в аварийных ситуациях. Использование этой системы предотвращает рост температуры и давления, вскипание и гидроудары в УУТ при аварийной остановке циркуляции теплоносителя на продолжительное время, позволяет избежать вынужденной остановки ГПА по этой причине. Кроме того, при необходимости, возможно проведение заполнения или слива теплоносителя из теплообменного аппарата УУТ без остановки агрегата. [1].

Типовые технические требования введённого регламента Р Газпром 2-3.5-1105-2017 предусматривают использование автоматизированного люка аварийного охлаждения утилизаторов тепла ГПА. Правообладателем патента на эту разработку является ООО «Газпром трансгаз Санкт Петербург». [2].

Переработка потенциальной энергии компримированного магистрального газа.

Электрогенераторных установок, использующих энергию магистрального газа при снижении давления на газораспределительных станциях в настоящее время разработано и сконструировано много, но число объектов, где бы они продолжительно и эффективно работали, составляет единицы. Совместная разработка одного из вариантов исполнения турбодетандерного генератора мощностью 20 кВт, вырабатывающего стандартный трехфазный электрический ток, была выполнена сотрудниками ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», ООО «НТЦ „Микротурбинные технологии“ и Санкт-Петербургского политехнического института Петра Великого. Была проведена серия, как лабораторных исследований, так и испытаний на промышленном объекте — ГРС „Северная“, рисунок 3. [3].

Самый массовый вероятный потребитель электроэнергии турбодетандерных установок — это сами ГРС. В последнее время происходят изменения в структуре потребляемой ими электроэнергии: микропроцессорные слаботочные системы автоматики, связи, телемеханики и сигнализации, как правило, имеют входной уровень питающего напряжения 24 В постоянного тока. Использование единого источника с таким уровнем напряжения снижает общее энергопотребление и позволяет обеспечить бесперебойность электроснабжения буферным подключением аккумуляторных батарей необходимой емкости. Такая технология отработана в маломощной альтернативной электроэнергетике. На заряд аккумуляторных батарей могут работать все возможные в условиях ГРС источники энергии, такие как:

• солнечные панели с широким диапазоном напряжений (до 200–250 В) и ММРТ-контроллером заряда на любой уровень напряжения батарей (12, 24,48 или 96 В), имеющие КПД 96–98%;
• ветрогенератор с собственным контроллером заряда аккумуляторных батарей;
• генераторная установка с любым механическим приводом (включая турбодетандер на перепаде давлений газа);
• термоэлектрические преобразователи и т.д.

Имея основной источник системы электрогенерации на уровне 24 В постоянного тока, для потребителей, питаемых переменным напряжением 220 или 380 В, используются трансформаторные преобразователи DC 24 В /AC 220..~380 В с единичной мощностью от 1,3 до 20,0 кВт, имеющие КПД до 96% и гибкую систему телеметрии и дистанционного управления.

Все перечисленные элементы входят в единую систему, которая управляет и оптимизирует процессы, обеспечивает требуемый режим работы конкретного типа аккумуляторных батарей и их регенерацию, сохраняет в памяти всю историю и может вывести ее в виде трендов в любом сочетании параметров за выбранный интервал времени локально на любое устройство (компьютер, коммуникатор, телевизор) или дистанционно через интернет по запросу. Оборудование производится в России компанией «МАП-Энергия», сотрудничающей с ПАО «Газпром».

При такой структуре электроснабжения ГРС, требования к электрогенератору в составе турбодетандерной установки минимальны. Возможен самый простой и доступный по цене вариант — автономные электрогенераторы на 24В от автомобильной или тракторной техники мощностью 1–3 кВт. Их конструкции отработаны и совершенны, ресурс составляет до 18 тысяч часов, продукция находится в розничной продаже по относительно низкой стоимости. Особое требование — бесщеточная конструкция с электронным возбуждением для работы в среде с природным газом при поступлении мелкодисперсной влаги и газового конденсата. В сочетании с простой в изготовлении и ремонте струйной турбиной (сменные элементы, имеющие низкий ресурс — сопла и ротор), полноценная эксплуатация подобных турбодетандерных установок возможна эксплуатационным персоналом служб ЛПУМГ, без привлечения специализированных подрядных организаций.

В настоящее время разработкой конструкции такой генераторной установки занимаются специалисты ООО «Газпром трансгаз Санкт Петербург» совместно с учеными Санкт Петербургского политехнического университета Петра Великого. Разработан и испытан в лаборатории опытный образец.

При целенаправленном снижении потребления электроэнергии газораспределительными станциями и использовании таких электрогенераторных установок и альтернативных источников (солнечные батареи и ветрогенераторы), энергетически автономными могут быть до 50% «малых» ГРС.

Модернизация системы смазки и суфлирования маслобаков ГПА «Таурус 60С».

С начала эксплуатации КС «Северная» в 1998 году поэтапно было произведено несколько модернизаций с целью адаптации оборудования под используемое в России турбинное масло ТП 22С, для снижения его удельного расхода и увеличения ресурса работы в системе смазки агрегатов.

Для снижения рабочей температуры масла была произведена замена температурных элементов термостатов, с температурой открытия на 10 °С ниже. В результате такой замены рабочий диапазон температуры масла снизился с 60–70 °С до 50–60 °С. Это является необходимым условием длительной работы отечественного масла ТП 22С.

Для снижения удельного расхода масла была проведена модернизация системы суфлирования маслобаков с целью убрать избыточное давление газов и паров масла в верхней зоне маслобаков (над поверхностью масла). Для этого были подобраны взрывобезопасные вентиляторы среднего давления отечественного производства FUA-1800B\SP (СП «СовПлим», Санкт-Петербург) и смонтированы на выходном фланце устройств улавливания масляных паров. С помощью системы автоматического регулирования и частотных преобразователей скорость вращения вентиляторов поддерживается такой, чтобы полностью убрать избыточное давление в маслобаках и сохранять его в пределах ±2 мм вод. ст. на всех режимах работы ГПА. [4].

Для тонкой очистки на молекулярном уровне и поддержания параметров масла, на каждом ГПА при их работе в трассу, в течение тысячи часов ежегодно работает установка электростатической очистки «Клинтек».

В результате проведенных модернизаций удельный расход масла снижен с 0,3 кг/час до 0,04 кг/час. Необходимости в замене масла по показателям химических анализов не было с 1997 года, когда была произведена заливка маслобаков, до капитальных ремонтов. В 2009 и 2010 годах все четыре ГТД прошли капитальный ремонт на заводе в Бельгии при наработке 30 тыс. часов и были заправлены свежим маслом. До настоящего времени масло, залитое в маслобаки ГПА после капитальных ремонтов, имеет безупречные показатели, отображенные на рисунках 4, 5, 6, 7.

Графики на рис. 4–7 отражают процессы, происходящие в очищаемом масле, в результате высоковольтной ионизации и осаждения на картридже всех неоднородных соединений. Наиболее заметно воздействие электростатической очистки на температуру вспышки паров масла. Более подробно механизм воздействия высоковольтной электростатической очистки масла рассмотрен в статье «Опыт использования отечественного турбинного масла ТП 22С на ГПА „Taurus 60S“ компании „Solar“ (США)» // Газотурбинные технологии — №1, 2017 г. [5].

Проведенные усовершенствования позволили снизить удельный расход масла в агрегатах на 80% и довести наработку масла без необходимости замены до 30 тыс. часов.

Оптимизация работы аппаратов воздушного охлаждения газа.

Для увеличения пропускной способности газопровода и для повышения запасов газа в трубе, после каждой компрессорной станции газ необходимо охлаждать, что выполняется с помощью аппаратов воздушного охлаждения (далее АВО) газа, путем обдува газа атмосферным воздухом. Для выполнения этой задачи необходимо затрачивать электроэнергию на привод электродвигателей вентиляторов АВО, получая при этом выгоду за счет экономии топливного газа на КС. Однако, баланс затрат на электроэнергию и выигрыша в расходе топливного газа, применительно к газопроводу с несколькими компрессорными станциями, до сих пор является нерешенной задачей.

При охлаждении газа в АВО возникают большие затраты на электроэнергию, для привода электродвигателей АВО. В то же время, увеличение глубины охлаждения может приводить к уменьшению гидравлических потерь в следующем за КС участке газопровода, что приводит к снижению расхода топливного газа, как на рассматриваемой КС, так и на следующей за ней по потоку природного газа. Возникает довольно сложный и неоднозначный баланс между затратами на электроэнергию и экономией на топливном газе.

Для решения этой задачи была создана многофакторная математическая модель. Тестирование модели позволило выяснить, что значимыми факторами, влияющими на результаты расчета, являются:

• давление газа в магистральном газопроводе;
• расход газа через участок магистрального газопровода;
• температура грунта на глубине залегания магистрального газопровода;
• температура атмосферного воздуха;
• количество и порядок включенных аппаратов воздушного охлаждения.

Для подтверждения адекватности модели были проведены испытания на участке газопровода «Грязовец-Ленинград», включающем три КС. В течение полутора месяцев по утвержденной программе проводилось последовательное отключение и включение АВО, фиксировалось изменение теплофизических параметров на компрессорных станциях, на газораспределительных станциях и на крановых узлах, расположенных на магистральном газопроводе. Параллельно проводился расчет аналогичных параметров по разработанной модели. Сравнение результатов расчета и эксперимента показало, что максимальное отклонение по температуре составляет 2,5%, а по давлению 0,3%, что подтвердило адекватность модели и позволило выполнить основной массив расчетов для газопровода «Ямал-Европа».

Проведенные расчеты показали, что существуют сочетания параметров, при которых наблюдается ярко выраженный минимум затрат на транспортировку газа, но есть и такие сочетания параметров, при которых любое включение АВО приводит только к росту затрат.

Выполненная работа позволила сделать вывод, что в зависимости от расходов газа через газопровод, давления в газопроводе и условий окружающей среды (в основном температуры грунта и температуры окружающего воздуха) существуют оптимальные режимы, при которых наблюдаются минимумы затрат на перекачку газа в денежном выражении (при текущем заданном уровне цен на электроэнергию и топливный газ). Пример результатов расчета приведен на рисунке 8.

Результаты работы были доложены на Мировом газовом конгрессе в г. Куала-Лумпур (Малайзия). [6].

Выработка газа из технологических коммуникаций КС 

Для возможности выработки газа из коммуникаций компрессорной станции «Северная» при плановых остановках и сбросах давления был спроектирован и смонтирован газопровод-перемычка. Он соединил точку ввода газа в котельную на территории КС с выходным коллектором ГРС «Красная Зорька», которая находится на расстоянии менее 100 м от промплощадки и имеет тот же уровень выходного давления — 0,3 МПа. Данная разработка ежегодно позволяет предотвратить сброс в атмосферу от 50 до 100 тыс. нм3 природного газа, в зависимости от того с какого участка и при каком давлении производится выработка. Учет и одорирование вырабатываемого газа производится оборудованием ГРС «Красная Зорька».

Использование эффекта снижения температуры газа при редуцировании.

При редуцировании на ГРС небольшого потока газа высокого давления в обход подогревателя появляется беззатратный источник отрицательной температуры до —5 °С, с помощью которого можно решить проблему технического водоснабжения большого количества малых ГРС, не имеющих собственных источников водоснабжения. Для таких станций практикуется доставка воды, что влечет за собой транспортные расходы и занимает рабочее время персонала. В ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» таких ГРС 228 из общего количества в 244.

Получение потребляемого количества воды возможно методом конденсации из атмосферного воздуха в летнее время и из дымовых газовых котлов отопления ГРС зимой. Охлаждение атмосферного воздуха с помощью теплообмена с холодным газом обеспечит возможность конденсации влаги 2–5 литров в сутки. Такого количества воды достаточно для технических нужд «малых» ГРС.

Конструкция установки конденсации воды должна быть безопасной, простой в изготовлении, без использования сложной и дорогостоящей автоматики. Ее разработка вполне могла бы стать темой конкурса для молодых специалистов или молодых научных работников профильных вузов.

Выводы:

1. Энергоэффективные и ресурсосберегаюшие решения, разработанные и частично апробированные на объектах ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» способствуют снижению эксплуатационных расходов и повышают эффективность работы газотранспортного и газораспределяющего оборудования, тем самым выполняя задачи и требования технической политики ПАО «Газпром».
2. Обозначенные решения также способствуют реализации корпоративной экологической политики, поскольку способствуют повышению автономности производственных объектов газотранспортных предприятий от внешних источников электрической и тепловой энергии, а также воды, утилизируют тепловыделения, оптимизируют потребление углеводородных ресурсов.
3. Обсуждение данных решений ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» на отраслевых совещаниях ПАО «Газпром» и их возможное тиражирование может привести к масштабному сокращению энергопотребления предприятиями компании, положительно сказавшись на общей эффективности производственной деятельности.