Исследование режимов работы схем с детандер-генераторными агрегатами на когенерационных котельных с газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания

В настоящее время в Российской Федерации согласно ФЗ № 271 при проектировании нового энергетического объекта приоритетным является его способность работать по принципу когенерации, то есть обеспечивать одновременную выработку тепловой и электрической энергии. Когенерационная котельная (по сути мини-ТЭЦ) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) отвечает этим требованиям и в местах, где возможно прямое подключение к газопроводу, экономически выгодна и имеет малый срок окупаемости [1, 2].

Одним из способов повышения эффективности работы такой котельной является использование избыточного давления поступающего в котельную газа в установленном перед основным оборудованием детандер-генераторном агрегате (ДГА). В ДГА за счет снижения давления газа до величины чуть больше атмосферного вырабатывается электрическая энергия. На практике используются следующие схемы установки ДГА: с предварительным подогревом газа перед детандером и без подогрева.

После расширения в детандере газ сильно остывает, что может приводить к выпадению кристаллогидратов в газопроводе после ДГА и ухудшить условия эксплуатации газопроводов. При от- сутствии подогрева газа перед ДГА необходимо разработать режим, позволяющий избежать выпадения кристаллогидратов. Подогрев газа до входа в ДГА позволит повысить работу детандера, но в то же время может снизить КПД ДВС в летний период за счет повышения температуры топливной смеси. Поэтому для эффективного применения схемы с подогревом требуется 0разработать оптимальный режим подогрева в летний период, обеспечивающий максимальный энергетический эффект.

Целью данной статьи является исследование режимов работы различных схем с ДГА с учетом недопущения выпадения кристаллогидратов и выбор на основе проведенного исследования наиболее энергоэффективной схемы с оптимальным режимом работы.

В работе предложен метод определения минимально допустимого выходного давления газа в ДГА с учетом недопущения возможности выпадения кристаллогидратов в газопроводе после детандера. Для схем ДГА с предварительным подогревом газа сформулировано условие по определению значения температуры отключения подогрева в летнее время.

Использованию избыточного давления природного газа для производства электрической энергии посвящены работы зарубежных и отечественных авторов [3–19].

Особенности выработки электроэнергии в детандер-генераторном агрегате рассмотрены в работе [3].

В работах авторов [4–7] рассмотрены возможные схемы детандера с подогревом газа на ГРС, показана возможность использования для подогрева низкопотенциальных возобновляемых энергоресурсов.

В статьях [8–11] приведены данные экспериментальных исследований применения ДГА на паротурбинных циклах ТЭЦ, определена энергетическая эффективность использования детандера.

В работе [12] проанализированы термодинамические аспекты использования ДГА на ТЭЦ, показана важность оптимального выбора марки ДГА при сезонных колебаниях потребления газа. В трудах [13, 14] подробно рассмотрена эффективность применения подогрева газа в схемах с детандером, проанализированы различные варианты установки подогревателя.

Из отечественных авторов большое количество работ выполнено В.С. Агабабовым. В его работах [15–17] отмечается необходимость учитывать влияние параметров газа после детандера на работу газопотребляющих агрегатов. Указано, что при расширении газа в детандере при определенном начальном влагосодержании на выходе из детандера происходит процесс образования кристаллогидратов, что может неблагоприятно сказаться на эксплуатации детандера и участка газопровода после него.

Однако в указанных выше работах не проанализировано влияние начальных параметров газа на работу детандера для схемы без подогрева при соблюдении условия недопущения образования кристаллогидратов. Также данные работы посвящены применению схем с детандером на ТЭЦ. В данных схемах повышение температуры предварительного подогрева газа позволит увеличить энергетический эффект. Однако особенностью применения ДГА на когенерационных котельных с ДВС является уменьшение КПД двигателя при температурах топливной смеси выше оптимального значения, что может потребовать отключения подогрева при определенных условиях.

В работах [18, 19] рассмотрен ожидаемый энергетический эффект от использования ДГА с предварительным подогревом на когенерационных котельных с ДВС и на ТЭЦ, однако без учета возможности отключения подогрева для получения максимальной суммарной удельной полезной работы при разных температурах газа и воздуха.

Разработка оптимальных режимов работы схем с ДГА на когенерационных котельных с ДВС с учетом специфики работы ДВС и соблюдения условия недопущения образования кристаллогидратов позволяет улучшить условия эксплуатации газопровода при применении детандера, повысить энергетическую эффективность котельных и добиться экономии топлива.

Предложенные выводы можно использовать при проектировании применения ДГА на строящихся и действующих когенерационных котельных. На основании предложенного метода определения минимально допустимого давления газа после детандера для схем с отсутствием подогрева разработан режим с дросселированием газа после детандера, исключающий возможность выпадения кристаллогидратов после детандера. Для схем с подогревом разработан режим, позволяющий достичь максимального энергетического эффекта при различных температурах газа.

Рассмотрим два варианта использования детандера на когенерационной котельной с газопоршневыми ДВС: с использованием предварительного подогрева и без подогрева.

На рис. 1, 2 представлены схемы ДГА без подогрева газа и с подогревом газа для когенерационной котельной.

Энергетический эффект от использования выбранных схем применения детандера определяется при их сравнении с традиционным вариантом, при котором газ дросселируется до давления чуть больше атмосферного. Энергетический эффект от применения ДГА на когенерационных котельных с ДВС заключается в уменьшении расхода топлива по сравнению с традиционным вариантом с дросселированием газа перед топливосжигающими агрегатами, при этом графики выработки электроэнергии и отпуска теплоты в обоих вариантах приняты одинаковыми [19].

При расчетах примем содержание метана в природном газе свыше 95 %. В этом случае газ можно считать как метан и применять при расчетах формулы для идеального газа [20]. Из-за высокой протяженности магистральных газопроводов разница между температурами поступающего в котельную газа и воздуха невелика и практически не влияет на температуру топливной смеси, которая из-за высокого расхода воздуха на сжигание (свыше 10 м3 на 1 м3 газа) определяется в первую очередь температурой воздуха. В дальнейшем будем считать равными температуру газа и наружного воздуха. Только после охлаждения газа в детандере отличие температуры топливной смеси от температуры воздуха необходимо будет учитывать.

Рис. 1. Принципиальная схема ДГА без подогрева газа для когенерационной котельной: 1 – газопровод высокого давления; 2 – задвижки; 3 – детандер; 4 – электрогенератор; 5 – дросселирующее устройство; 6 – газопровод низкого давления к ДВС; 7 – газопровод низкого давления к котельной

Fig. 1. Schematic diagram of a EGU gas boiler without gas heating for a cogeneration boiler house: 1 – high-pressure gas pipeline; 2 – valves; 3 – expander; 4 – electric generator; 5 – throttling device; 6 – low-pressure gas pipeline to the internal combustion engine; 7 – low-pressure gas pipeline to the boiler house

Рис. 2. Принципиальная схема ДГА с подогревателем перед детандером для когенерационной котельной: 1 – газопровод высокого давления; 2 – задвижки; 3 – подогреватель; 4 – детандер; 5 – электрогенератор; 6 – дросселирующее устройство; 7 – газопровод низкого давления к ДВС; 8 – газопровод низкого давления к котлам

Fig. 2. Schematic diagram of a EGU with a heater in front of the expander for a cogeneration boiler house: 1 – high-pressure gas pipeline; 2 – valves; 3 – heater; 4 – expander; 5 – electric generator; 6 – throttling device; 7 – low-pressure gas pipeline to the internal combustion engine; 8 – low-pressure gas pipeline to the boilers

Удельная работа ДГА находится по формуле k-1

l Д Г А = ^cp ' ^Т г. вх '

■ П д - П э м ,   (1)

где T _г.вх – темп ер а тур а г аз а н а в хо д е в дет а нд ер , К ; P _г.вх , P _г.вых – в х од ное и вы х о д ное д а в л ени я га з а дл я д е та н де ра с оот в е тс т в е н но, Па ; c ' _p - изобарная о б ъ е мн ая тепл ое м кос ть га за , Д ж / (нм ³·К); k – показатель адиабаты; п _д — вну тре нн и й отн оси те л ьный КПД детандера; п _эм — э л е ктром е х а н иче с к ий КПД ДГА.

Дл я га з о поршне в ого Д ВС у дел ьная пол е з ная р аб о т а п о вы р а б о тк е эле к т р оэ н ер гии о п р е д е ля е т с я :

¹ ДВС = Q ia ^-П дВС ,                             (2)

где Q _н ^р – теплота сгорания топлива, Дж/нм³; П двс — КПД ДВС по выработке электроэнергии.

Проанализируем влияние температуры поступающей в двигатель топливной смеси на величину его коэффициента полезного действия. Начиная с определенной температуры (чаще всего это +25 °С), КПД ДВС начинает резко снижаться, а при превышении максимально допустимой температуры (чаще всего это +35 °С) ДВС должен отключаться. Для поддержания температуры топливной смеси ниже максимально допустимой температуры предусмотрено использование холодильной машины. Так как холодильная машина включается только при превышении температурой смеси максимально допустимой величины (которая для большинства марок ДГА составляет около 35 °С), при этом мощность, потребляемая холо- дильной машиной существенно меньше выработки мощности ДГА, величиной работы холодильной машины можно пренебречь.

Снижение температуры топливной смеси за

счет охлаждения газа в детандере можно вычислить по формуле

работы, так как величина работы ДВС изменяется незначительно, а работа ДГА существенно ниже работы ДВС. Таким образом, прирост суммарной удельной работы (4) в дальнейшем будем считать удельным критерием, характеризующим энергетический эффект от использования схем с детандером.

^A t см

^l ДГА               Р г ■ с г

---=-- c P П э.м ^р г ■ с Г + ^Vвоз ■ ^р воз ■ с воз

где р _г , р _воз - плотности газа и воздуха при нормальных условиях, кг/м³; с _г , с _воз – изобарные объемные теплоемкости газа и воздуха соответственно, Дж/(нм³·К); V _воз – отношение расхода воздуха к расходу газа, м³/м³.

В летний период применение ДГА позволяет повысить КПД газопоршневого ДВС, при этом прирост мощности ДВС может в несколько раз превосходить вырабатываемую в ДГА мощность.

Для когенерационной котельной с ДВС прирост суммарной удельной работы от применения ДГА находится по формуле

^A l S = l ДГА + g ■ ^A l ДВС , (4) где g – отношение расхода поступающего в двигатели внутреннего сгорания газа к общему расходу газа на котельную; A l ДВС - разница удельных работ ДВС для схемы с детандером и схемы с дросселированием, Дж/м³.

Существенное влияние на прирост суммарной удельной работы оказывает величина доли газа, поступающего на ДВС. При сопоставимых значениях максимальной тепловой и электрической нагрузки эта доля будет близка к 1. В этом случае энергетический эффект определяется не только величиной работы детандера, но и приростом работы ДВС в летний период. При росте соотношения максимальной тепловой нагрузки к электрической данная доля будет уменьшаться. В дальнейшем рассмотрим котельные с долей g = 1, у которых весь газ поступает в ДВС, а выработка тепловой энергии происходит за счет использования тепла уходящих газов.

При равенстве значений суммарной вырабатываемой электрической мощности для схемы с ДГА и варианта с дросселированием выражение для определения экономии топлива от использования ДГА примет вид

^A G s = G "т-^, (5)

1 ДГА + 1 ДВС где Gs - суммарный расход газа для схемы с дросселированием, м3/с; lДГА , lДДВГСА – удельные работы ДГА и ДВС для схемы с ДГА соответственно, Дж/м3.

Из формулы (5) следует, что экономия топлива находится примерно в прямо пропорциональной зависимости от величины прироста суммарной

При расширении газа в детандере происходит уменьшение давления газа и его охлаждение.

Для процесса расширения газа в детандере те-

кущая температура газа связана с давлением сле-

дующей зависимостью

T г

= т ■ г.вх

¹ -П д ■

где P _г – текущее давление газа, Па.

При расчетах принято, что в детандере используется весь располагаемый перепад давлений, то есть давление газа уменьшается в процессе

расширения от входного давления до давления, чуть большего, чем давление в двигателях внутреннего сгорания. Однако если выходная температура газа будет ниже точки росы, то после детандера будут образовываться кристаллогидраты, что может неблагоприятно сказаться на сроке службы

газопровода.

Максимальное влагосодержание метана при

данных температуре и давлении будет определять-

ся по формуле

d max

R мет

R вод

^ п.нас ( T ) P г

где / П _нас ( T ) — давление насыщения паров воды, Па;

R _мет , R _вод – газовые постоянные метана и водяных паров соответственно, Дж/(кг·К).

Для процесса расширения газа в детандере величина максимального влагосодержания будет уменьшаться с падением давления. Давление газа в детандере, при котором величина максимального влагосодержания становится равной значению начального влагосодержания, будет являться минимально допустимым давлением газа.

Для предотвращения образования кристалло-

гидратов после детандера устанавливается дросселирующее устройство, которое поддерживает дав-

ление газа на выходе из детандера равным или чуть большим минимально допустимого. В этом случае будет происходить снижение вырабатываемой ДГА мощности за счет уменьшения используемого в детандере перепада давлений.

Введем коэффициент использования работы детандера, который будет находиться по формуле

действ lДГА дет max , lДГА

Рис. 3. Зависимость коэффициента использования работы детандера от температуры газа для P _вх = 7 атм: 1 – для начального влагосодержания 40 мг/кг; 2 – для максимально допустимого начального влагосодержания 82 мг/кг

Fig. 3. Dependence of the expander operation use coefficient on the gas temperature for P _вх = 7 atm: 1 – for the initial moisture content of 40 mg/kg; 2 – for the maximum permissible initial moisture content of 82 mg/kg

где l _Д ^де _Г ^й _А ^ств – удельная действительная работа ДГА, Дж/нм³; l _Д ^m _Г ^a _А ^x – максимальная удельная работа ДГА при использовании располагаемого перепада давлений, Дж/нм³.

Данный коэффициент показывает, какая часть от максимально возможной работы (то есть работы при полной реализации располагаемого перепада давлений природного газа в ДГА) может быть использована в ДГА при соблюдении условия недопущения образования кристаллогидратов в газопроводе после детандера.

Отраслевой стандарт (СТО Газпром 089-2010) устанавливает, что точка росы природного газа равна –10 °С при давлении 3,92 МПа, что эквивалентно влагосодержанию газа примерно 82 мг/кг газа.

На рис. 3 представлены зависимости коэффициента использования работы детандера от температуры воздуха.

На коэффициент использования работы детандера оказывают влияние следующие факторы: начальная температура газа, влагосодержание, входное давление.

С ростом начальной температуры газа величина k _дет увеличивается, так как рост входной температуры сопровождается увеличением использованного в детандере перепада давлений. Чем выше начальное влагосодержание, тем ниже коэффициент использования работы детандера.

Для величин начального влагосодержания от 40 до 82 мг/кг коэффициент эффективности работы детандера изменяется от 0,67–0,85 (при температуре, близкой к 0 °С) до менее чем 0,1 (при –30 °С). При отрицательных температурах наружного воздуха существенно падает энергетическая эффективность от использования схемы с детандером без подогрева. С ростом температуры газа коэффициент эффективности использования рабо- ты детандера будет увеличиваться, пока не достигнет значения, равного 1. Более высокие температуры газа характеризуются отсутствием ограничений по выходному давлению газа.

Температура уходящих газов от ДВС составляет около 300–400 °С, что позволяет нагреть газ до температур, существенно превышающих минимально необходимую температуру. Для дальнейших расчетов примем температуру подогрева газа равной 100 °С.

Минимальная температура подогрева газа, при которой соблюдается условие недопущения образования кристаллогидратов и используется весь располагаемый перепад давления в детандере, находится по формуле (6), в которую вместо текущего давления газа подставляют давление в топливосжигающих агрегатах. Результаты расчетов показывают, что минимальная температура подогрева составит от 14 до 29 °С при давлении от 7 до 13 атм.

Таким образом, для схем с отсутствием подогрева газа в период низких температур воздуха для недопущения появления кристаллогидратов предложен режим с дросселированием газа после детандера до минимально допустимого давления, что снижает мощность ДГА. Применение схемы с подогревом при отрицательных температурах воздуха позволяет использовать полностью располагаемый перепад давления газа в детандере.

Работа современных газопоршневых ДВС характеризуется снижением величины КПД по выработке электроэнергии при повышении температуры топливной смеси выше определенного оптимального значения. Температура топливной смеси для варианта с подогревом будет выше, чем при отсутствии подогрева, что может в летний

Рис. 4. Зависимость прироста суммарной удельной работы от температуры газа для схем с ДГА при P _вх = 7 атм: 1 – без предварительного подогрева; 2 – с предварительным подогревом Fig. 4. Dependence of the increase in total specific work on the gas temperature for schemes with EGU at P _вх = 7 atm: 1 – without preheating; 2 – with preheating

период привести к снижению КПД ДВС. Дальнейшее увеличение температуры наружного воздуха уменьшит разницу полезных работ детандера для схем с подогревом и без него, при этом для схемы без подогрева удельная работа ДВС будет выше.

При определенном значении температуры наружного воздуха значения прироста суммарной полезной работы для схем с подогревателем и без предварительного подогрева станут равны. Если температура наружного воздуха превысит данное значение, для схемы с подогревателем необходимо предусмотреть режим с отключением подогрева газа для поддержания максимального значения прироста суммарной удельной работы.

Проведем анализ предложенного режима на примере ДВС марки Caterpillar электрической мощностью 1 МВт. КПД ДВС линейно падает от 38 до 36 % при повышении температуры смеси от 25 до 35 °С.

На рис. 4 представлены зависимости прироста удельной суммарной работы от температуры воздуха для разных схем с ДГА.

Результаты расчета свидетельствуют, что при входном давлении газа 7 атм до температуры газа 25 °С схема с подогревом обладает преимуществом, так как в этот период прирост удельной работы определяется только работой детандера, которая всегда выше при наличии предварительного подогрева.

При более высоких температурах воздуха схема с ДГА без подогрева поддерживает температуру смеси в оптимальном диапазоне, что дает возможность получить существенный дополнительный прирост энергетического эффекта за счет высокого КПД ДВС. Для схемы с подогревом газа КПД ДВС будет уменьшаться, поэтому при температуре свыше 27 °С подогрев желательно отключить.

Проведем расчет годовой экономии топлива от применения схем с ДГА с подогревом и без подогрева. В качестве объекта выберем когенерационную котельную с 3 ДВС марки Caterpillar электрической мощностью по 1 МВт при давлении поступающего в котельную газа 7 атм. Весь поступивший на котельную газ подается в ДВС ( g = 1). Для расчетов выбраны климатические данные для Липецкой области за 2021 год.

Для всех месяцев, кроме летних, для расчетов принята среднемесячная температура воздуха. В летний период учтено количество дней с температурой, превышающей температуру отключения подогрева для схемы с ДГА.

На рис. 5 представлена ожидаемая месячная экономия топлива.

Наибольшая разница среднемесячной экономии топлива от использования подогрева наблюдается зимой, так как для схемы без подогрева в детандере используется только часть располагаемого перепада давлений. В летний период за счет отключения в отдельные дни подогрева газа схема с подогревом работает как схема без подогрева, что снижает разницу между этими двумя схемами. Применение предварительного подогрева газа до 100 °С при реализации оптимального летнего режима позволяет увеличить годовую экономию топлива примерно в 1,4 раза по сравнению с использованием схемы с детандером без подогрева.

Таким образом, наибольшая экономия топлива достигается при использовании схемы с предварительным подогревом газа перед детандером, так как данная схема позволяет снять ограничения по недопущению выпадения кристаллогидратов в период низких температур наружного воздуха, при этом работа детандера при подогреве всегда выше, чем при отсутствии подогрева. Для данной схемы оптимальный режим работы заключается в отклю-

Рис. 5. Ожидаемая среднемесячная экономия топлива для схемы с детандером без подогрева и схемы с детандером и предварительным подогревом

Fig. 5. Expected average monthly fuel economy for a circuit with an expander without heating and a circuit with an expander and preheating

чении подогрева в летнее время при равенстве или превышении приращения суммарной удельной работы для схемы без подогрева по сравнению со схемой с подогревом.

В статье рассмотрены режимы работы схем применения ДГА на когенерационных котельных с газопоршневыми ДВС. Показано, что в имеющихся по данной тематике работах не учтены ограничения, накладываемые условием недопущения выпадения кристаллогидратов после детандера. Показано, что при низких температурах воздуха работа детандера может существенно уменьшиться из-за данных ограничений. Выявлено, что даже незначительный подогрев газа (до величины 29 °С) позволяет реализовать располагаемый перепад давлений газа в детандере. Дополнительным преимуществом предварительного подогрева газа является повышение работы детандера. В летний период подогрев газа перед детандером может понизить коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания по сравнению со схемой с детандером без подогрева. Показано, что при определенном значении температуры наружного воздуха приросты суммарной полезной работы для схем с подогревателем и без предварительного подогрева сравняются по величине. Предложено при превышении температурой наружного воздуха данного значения предусмотреть отключение подогрева газа. Проведен расчет годовой и среднемесячной экономии топлива от применения различных схем применения ДГА для когенерационной котельной с 3 двигателями внутреннего сгорания. Наибольшая разница среднемесячной экономии топлива от использования подогрева наблюдается зимой, так как для схемы без подогрева в детандере используется только часть располагаемого перепада давлений из условия недопущения образования кристаллогидратов. В летний период за счет отключения в отдельные дни подогрева газа схема с подогревом работает как схема без подогрева, что снижает разницу между этими двумя схемами. Применение предварительного подогрева газа до 100 °С при реализации оптимального летнего режима позволяет увеличить годовую экономию топлива примерно в 1,4 раза по сравнению с использованием схемы с детандером без подогрева.