Особливості впровадження та експлуатації ТДУ

Реалізація ідеї використання надлишкового тиску є обмеженою, що пов’язано з низкою проблем. Однією з таких проблем є значне зниження температури природного газу після його проходження через турбодетандер. Зниження температури газу зумовлено зменшенням його внутрішньої енергії під час виконання механічної роботи. Зниження температури природного газу сприяє виділення гідратів у вигляді твердої фази, зовнішньому і внутрішньому обмерзанню труб і арматури, що ускладнює експлуатацію газопроводів. Тому, під час використання ТДУ для усунення цієї проблеми необхідне підігрівання газу. Але з точки зору першого закону термодинаміки під час адіабатного розширення газу робота, яку можна одержати при цьому дорівнює кількості теплоти, яку необхідно затратити для відновлення температури цього газу.

Застосування ТДУ дає змогу утилізувати низькопотенційну теплоту з одержанням електроенергії.

Рис. 1. Схема генерації електроенергії турбодетандерним агрегатом і газовим двигуном на ГРС: 1 – двигун; 2 – генератор; 3 – ємність з гарячою водою; 4 – турбодетандер; 5 – система підігрівання води відпрацьованими газами двигуна; 6- насос; 7 – система охолодження двигуна; 8 – електротон; 9 – теплообмінник; 10 – газопровід.

У випадку встановлення на ГРС чи ГРП турбодетандерних агрегатів, для їх ефективної роботи необхідно використовувати низькопотенційну теплоту, наприклад, оборотної води, що використовується для технологічних потреб виробництва чи на теплоелектростанціях. Без вторинної теплоти використання турбодетандерних агрегатів є неефективним, оскільки для їїх нормальної роботи й генерування електроенергії необхідно буде спалювати природний газ для забезпечення необхідної робочої температури газу після його розширення у ТДУ. Оскільки біля більшості ГРС відсутні джерела вторинної теплоти, то забезпечення ефективної роботи турбодетандер них установок проблематично.

Разом з тим, під час дроселювання природного газу на ГРС і ГРП також має місце зниження температури, що зумовлено різким зниженням тиску газу. Тому, на багатьох ГРС, де тиск газу знижується дроселюючими клапанами-регуляторами, встановлюють спеціальні пристрої для підігрівання природного газу, в яких частина цього газу спалюється для одержання теплоти.

Для ГРС з підігріванням природного газу можна застосувати більш ефективну технологічну схему. Пропонується на таких ГРС встановлювати турбодетандерний агрегат й газовий двигун з електрогенератором. Турбодетандерний агрегат вироблятиме електроенергію разом з газовим двигуном, при цьому тепло, яке викидатимуть газові двигуни (близько 60 – 70%), буде використовуватись для підігрівання природного газу, який проходитиме через турбодетандерну установку (рис. 1).

Рис. 2. Установка підігрівання газу на ГРС: 1 – трубопровід; 2 – теплообмінник; 3 – турбодетандер; 4 – компресор; 5 – випаровував; 6 – дросельний кран

Електроенергія, що виробляє турбодетандер 4 і газовий двигун 1, передається споживачу. За часткового використання електроенергії, надлишок споживається для нагрівання води теном 8. Крім того, що газовий двигун виробляє електроенергію, він також є джерелом вторинної теплоти. Вода із системи охолодження 7 двигуна передається у ємність 3. Частина води потрапляє у систему 5 для підігрівання, де за рахунок високотемпературної (170 – 190⁰С) теплоти відпрацьованих газів додатково нагрівається. З ємності 3 гаряча вода подається у теплообмінник 9, який підігріває природний газ.

Запропонована схема є досить ефективною для ГРС, які віддалені від джерел вторинної теплоти, і на яких під час дроселювання природного газу доводиться додатково спалювати газ для його підігрівання. Встановлення турбодетандерного агрегата і газового двигуна дасть змогу одержати значну кількість електроенергії і забезпечить ефективне використання природного газу, що спалюється.

Ще один ефективний спосіб вирішення проблеми з підігріванням газу у випадку зниження його тиску на ГРС і ГРП є застосування теплового насосу (ТН) з приводом компресора від турбодетандера (рис. 2). У цьому випадку ТН буде забезпечувати підігрівання газу за рахунок теплоти навколишнього середовища, а турбодетандер буде джерелом механічної енергії для компресора, яку вироблятиме з пружної енергії природного газу.

Устаткування для підігрівання природного газу встановлюється на ГРС магістрального трубопроводу. Воно включає: відвід газу до споживачів – 1, теплообмінник підігрівання газу – 2, що однозначно є конденсатором ТН, турбодетандер – 3, компресор – 4, випарювач – 5, та дросельний кран – 6.

Установка працює наступним чином. Природний газ за тиску подається у турбодетандер 2, де його пружна енергія перетворюється в механічну енергію. За рахунок цієї енергії приводиться у рух компресор, що є складовою частиною теплового насоса. Компресор з випаровувала 5 засмоктує пару легко киплячої рідини, стискає її і подає в конденсатор, що знаходиться у теплообміннику 2. Внаслідок стискання пара конденсується і виділяється значна кількість теплоти, за рахунок якої підігрівається природний газ. Рідина з теплообмінника 2 проходить через дросельний клапан теплового насоса 6, після чого її тиск падає, далі вона потрапляє у випаровував 5, де закипає. Падіння тиску у випаровувачі регулюється дросельним краном – 6. Внаслідок кипіння з навколишнього середовища відбирається значна кількість тепла. Пари рідини знову засмоктуються компресором 4 і цикл повторюється.

Внаслідок сумісної роботи турбодетандера і теплового насоса пружна енергія природного газу буде використовуватися для його підігрівання. Оскільки коефіцієнт трансформація ТН становить 3 – 4, то теплова енергія, яку вироблятиме устаткування буде в 3 – 4 рази більшою ніж та, яку вироблятиме турбодетандер. Застосування такого устаткування дасть можливість економити той природний газ, який сьогодні спалюють для підігрівання природного газу на ГРС.