Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.
Авторами была проведена оценка теплового потенциала различных источников вторичных энергоресурсов на компрессорной станции с целью разработки схем утилизации теплоты. При проведении исследований использованы современные численные методы исследований процессов тепло- и воздухообмена, основанные на уравнениях Навье-Стокса. Приведены принципы и схемы автоматизации систем обеспечения микроклимата.
Формирование микроклимата в помещениях с использованием энергоэффективных технологий является одним из актуальных направлений в строительной отрасли [1]. Современная тенденция удорожания энергоресурсов требует внедрения энергосберегающих инженерных решений в транспортировке газа, в частности, по направлению использования вторичных энергоресурсов [2, 3].
Для поддержания проектной пропускной способности через 120–150 км по трассе магистральных газопроводов сооружаются промышленные площадки, в состав которых входят линейные производственные управления с одним-двумя компрессорными станциями (КС), административные здания, объекты энерго-, тепло-, водоснабжения и обслуживания автотранспорта [3]. В качестве привода нагнетателей газа в северных районах страны применяется преимущественно газовые турбины, особенностью которых является низкий КПД (28–32 %). Для утилизации теплоты отходящих газов на газоходах установлены газоводяные теплообменники.
Как показывают результаты натурных исследований состояния условий труда, выполненные при участии автора согласно требованиям [4, 5], порядка 20 % рабочих мест отнесены к условно аттестованным из-за несоответствия параметров микроклимата нормируемым значениям [3]. При этом значительное количество таких рабочих мест связаны с нестабильностью теплового режима системы теплоснабжения от утилизационных теплообменников. Поиску энергосберегающих технологий, основанных на внутренних источниках вторичной теплоты, в том числе для систем обеспечения микроклимата, посвящён ряд работ, в частности [6-8].
Современная тенденция удорожания энергоресурсов требует внедрения энергосберегающих инженерных решений в транспортировке газа, в частности, по направлению использования вторичных энергоресурсов
Преобразование вторичных энергоресурсов (ВЭР) в тепловую энергию позволяет удовлетворять не только теплофикационные нужды компрессорных станций (КС), но и внешнего потребителя. Теплота отходящих газов ГТУ может быть использована и на технологические нужды — для подогрева воды или генерации пара, подаваемых в проточную часть газовой турбины, что позволяет увеличить мощность газоперекачивающего агрегата (ГПА). Преобразование теплоты отходящих газов ГТУ в холод позволит снизить температуру циклового воздуха и тем самым увеличить мощность ГПА. Получаемый холод может быть использован и для охлаждения транспортируемого газа. Механическая энергия, выработанная за счёт утилизации теплоты ГТУ, способствует увеличению мощности ГПА и КПД установки в целом. Утилизация теплоты ГТУ для получения электроэнергии может обеспечить полностью или частично внутренние потребности КС в этом виде электроэнергии.
К числу потребителей теплоты на КС относятся компрессорные и ремонтные цехи, механические цехи, электростанция собственных нужд, административные и бытовые объекты, а также внешние потребители. Наличие вблизи КС сторонних потребителей (жилых посёлков, сельскохозяйственных потребителей и т.д.) позволяет увеличить долю утилизированной теплоты до 25 %.
Как было отмечено выше, относительно низкий КПД ГТУ обусловливает ежегодную потерю около 25-30 млрд м³ природного газа с температурой продуктов сгорания и около 1 млн тонн оксидов азота и около 200 тыс. тонн оксидов углерода.
Несмотря на то, что теплоту отходящих газов наиболее просто утилизировать для теплофикационных нужд, это направление не позволяет использовать все ресурсы попутной теплоты КС. Внутренние нагрузки и внешние потребители не являются стабильными и энергоёмкими потребителями низкопотенциальной теплоты.
Использование вторичной теплоты КС для удовлетворения внешних потребителей теплоты, более стабильных и энергоёмких, позволяет отказаться от сооружения дополнительных котельных. Однако иногда компрессорные станции располагаются на значительном расстоянии (5–15 км) от наиболее стабильных потребителей, что делает необходимым обоснование предельного радиуса теплоснабжения, расстояния, при котором экономически выгодно транспортировать утилизируемую теплоту. Таким образом, из-за отсутствия стабильных и энергоёмких потребителей низкопотенциальной теплоты, утилизация теплоты отходящих газов ГТУ только для теплофикационных нужд не решает полностью проблему использования ресурсов попутной теплоты на КС магистрального газопровода.
Кроме того, опыт эксплуатации систем водяного теплоснабжения показывает, что их работоспособность нарушается по многим причинам, в частности:
- из-за снижения теплопроизводительности утилизационных теплообменников вследствие образования накипи внутри труб при отсутствии или низком качестве химической водоподготовки;
- несоответствия характеристик теплогенерирующего оборудования расчёт ным характеристикам и, как следствие, недостаточности пропускной способности теплосети;
- из-за отсутствия высокоэффективных технологических схем слива воды из системы с высоким уровнем автоматизации при аварийных ситуациях;
- из-за длительной потери работоспособности и сложности повторного включения в работу при аварийных остановках источников теплоты.
Одним из путей обеспечения стабильной работы таких систем является внедрение системы автоматизации, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.
Схема установки утилизации теплоты приведена на рис. 2.
Утилизационный теплообменник также можно представить объектом регулирования, на вход которого поступает теплота выхлопных газов, а на выходе определяется текущее значение регулируемой величины — температуры теплоносителя. Для теплоснабжения внешних потребителей необходимо увязать температуру теплоносителя с внешними возмущающими воздействиями (температурой наружного воздуха, скоростью и направлением ветра), то есть построить отопительный график.
Регулирующий орган представляет собой блок заслонок, установленный перед тепло обменными модулями и в байпасном канале. Эти заслонки осуществляют перераспределение потока выхлопных газов по следующему алгоритму: открываются теплообменные модули; прикрывается байпас — теплосъём увеличивается, температура теплоносителя на выходе из утилизатора растёт, то есть обеспечивается максимальный теплосъём полным открытием заслонок перед модулями и закрытием заслонок перед байпасом.
Уменьшение теплосъёма (понижение температуры теплоносителя) обеспечивается обратным вращением заслонок, то есть заслонки перед теплообменными модулями закрываются, а далее байпас открывается.
Системы автоматики для регулирования теплопроизводительности утилизационных теплообменников различных ГТУ отличаются количеством исполнительных элементов, установленных на блоках заслонок.
Например, в качестве регулятора применён «Регулятор температуры электронный ЭРТ-1», предназначенный для автоматического регулирования отпуска теплоты, формирующий пропорционально-интегральный закон регулирования и имеющий зону нечувствительности не более 0,5 °C. Выделив сигнал согласования, регулятор формирует на выходе импульсы, чередующиеся паузами. Длительность первого импульса (пропорциональная часть) зависит от величины ошибки, а интегрирование последующих импульсов даёт интегральную часть с постоянной времени регулятора 100–500 с.
Уменьшение теплосъёма (понижение температуры теплоносителя) обеспечивается обратным вращением заслонок, то есть заслонки перед теплообменными модулями закрываются, а далее байпас открывается
Система автоматического регулирования позволяет осуществить операции:
1. «Пуск» со щита автоматики или по сигналу выхода ГТУ на нормальный режим работы. Закроются задвижки на перемычке между прямым теплопроводом и дренажными трубами и задвижками между обратным теплопроводом и дренажными трубами: откроются воздушники; откроется дренаж; после сигнала датчика о наличии воды на выходе воздушника закроется воздушник и дренаж; приоткроются шиберы перед модулями теплообменника и через определённую выдержку времени автоматически начнёт регулироваться температура теплоносителя. Если ГТУ не находится в рабочем режиме, откроется задвижка на перемычке между прямым и рециркуляционным теплопроводами, задвижка на выходе из теплообменника закроется.
2. «Кратковременный останов» — со щита автоматики или по сигналу «аварийный останов» ГПА. При этом откроются шиберы перед байпасами дымовых газов; закроются шиберы перед модулями; откроется задвижка на перемычке между прямым и рециркуляционным теплопроводами; закроется задвижка на выходе из теплообменника.
3. «Нормальный останов» — со щита автоматики. При этом шиберы перед байпасом и теплообменниками установятся в исходное положение, с выдержкой времени закроются задвижки на входе и выходе теплообменника; откроются дренаж и воздушники; откроются задвижки между прямым и обратным теплопроводами и дренажными трубами. Произойдёт слив воды из теплообменника.
4. «Аварийный останов» — по сигналу со щита или любому аварийному сигналу, предусматривающий слив воды из теплообменника и его отключение.
Как уже отмечалось ранее, в системах утилизации теплоты выхлопных газов на компрессорных станциях практически не используется автоматическое управление процессом утилизации из-за отсутствия регулировочных характеристик клапанов управления процессом утилизации.
Были выполнены работы по построению регулировочных характеристик для клапанов в байпасном канале и канале теплообменников-утилизаторов. Оценка расходов газа выполнялась по относительным показателям расходов выхлопных газов через байпасный канал и через утилизаторы.
Для определения параметров выхлопных газов использован измерительный термоанемометрический комплекс testo 454. Измерения проводились при четырёх положениях угла наклона лопаток клапанов для двух- и трёхрядных теплообменников. Результаты исследований позволили получить регулировочные характеристики клапанов, предназначенные для практического применения.
Необходимо отметить, что нестабильность работы водяной системы утилизации теплоты отходящих газов приводит к существенному отличию параметров микроклимата во всех обслуживаемых помещениях.
Это побуждает анализировать возможность использования теплоты других источников, в частности, нагретых поверхностей оборудования. Это в сочетании с традиционными системами утилизации приведёт к снижению нагрузки на основные утилизационные системы и обеспечению стабильности параметров микроклимата в связи с простотой регулирования внутренних воздушных утилизационных систем. В первую очередь, наиболее простым способом, как показывает аналитический обзор в работе [9], является использование рециркуляции с учётом выполнения требований нормативных документов [1].
При участии автора предложены системы обдува нагретых поверхностей для обогрева нижней зоны помещения в холодный период года и сдува конвективных струй из рабочей зоны площадки обслуживания [9].
Количественные характеристики такого процесса получены на основе широко распространённого в настоящее время численного моделирования [10] системы дифференциальных уравнений неразрывности, Навье-Стокса, сохранения количества теплоты и примеси (влагосодержания воздуха).
На рис. 3 приведена схема автоматизации системы утилизации теплоты удаляемого воздуха из машинного зала с групповой установкой газотурбинных агрегатов.
В схеме предусмотрен воздухо-воздушный теплообменник для подогрева приточного воздуха для зала нагнетателей.
Используется регулирование теплопроизводительности теплообменника за счёт изменения расхода горячего воздуха. Разработаны также схемы с использованием теплоты удаляемого воздуха из многомашинного зала для подогрева приточного для тамбур-шлюзов и непосредственно машинного зала, а также для индивидуальных укрытий ГПА. В схемах могут быть использованы любые рекуперативные теплообменники.
Выводы
1. Изучение состояния условий труда на действующих компрессорных станциях магистральных газопроводов позволило выявить проблемы обеспечения нормируемых параметров микроклимата на рабочих местах и потенциальные источники вторичных энергоресурсов.
2. Разработаны основные положения рациональной организации воздухообмена и утилизации тепловой энергии при используемых в практике вариантах размещения агрегатов разной мощности в машинных залах компрессорных станций магистральных газопроводов, а также принципиальные схемы автоматизации их работы.
