М. В. Белошицкий – ООО «Турбомашины»

Получение электрической энергии с применением ресурсосберегающих, экологически чистых технологий становится сегодня все более актуальным. Одно из таких направлений – использование потенциальной энергии природного газа высокого давления магистральных газопроводов с применением детандер-генераторов.

В условиях рынка особенно важным является экономия энергоресурсов, позволяющая значительно снизить себестоимость производимой продукции. Наиболее ощутим эффект такой экономии на предприятиях, потребляющих для своих нужд большие объемы природного газа (30...200 тыс. м³/ч и более).
Такими потребителями, как правило, являются тепловые электростанции, предприятия металлургической и химической промышленности и др. Природный газ поступает к ним из магистральных газопроводов, давление в которых поддерживается на уровне 5...7,5 МПа, через газораспределительные станции (ГРС) – первая ступень дросселирования – к собственным газорегуляторным пунктам (ГРП). Здесь осуществляется вторая ступень дросселирования, и давление газа снижается с 1,2...2,6 МПа на входе в ГРП до 0,2...0,6 МПа на выходе. При этом в процессе дросселирования происходят огромные, с учетом объемов потребления, безвозвратные потери энергии сжатого газа.
Таким образом, если заменить обычное редуцирование природного газа на ГРС и ГРП процессом «срабатывания» существующего перепада давления в турбине детандер-генераторной установки (ДГУ), осуществляется возврат энергии, затраченной на сжатие газа.
Расчеты и опыт эксплуатации зарубежных и отечественных детандер-генераторных установок подтверждают величину вырабатываемой в ДГУ электроэнергии – 30...50 кВт/тыс. м³, в зависимости от эффективности процесса расширения в турбине.
Применение ДГУ дает возможность не только ввести в хозяйственный оборот вторичные энергоресурсы для выработки электроэнергии, но и снизить уровень вредных выбросов по сравнению с традиционными технологиями.
Сегодня количество детандер-генераторных установок, эксплуатирующихся в России и других странах СНГ, значительно меньше, чем в странах Европы и Америке. Это связано с тем, что до недавнего времени проблемы утилизации энергии, теряемой в технологических процессах, не были актуальны. Ситуация изменилась только в последние годы, когда вопрос о снижении затрат на производство промышленной продукции и транспортировку газа стал одним из самых главных.
В настоящее время турбодетандеры оцениваются специалистами как один из перспективных видов турбинной продукции с большим рынком сбыта. Российские и украинские предприятияпроизводители предлагают широкую гамму детандер-генераторных агрегатов (ДГА) – от 8 до 16500 кВт (табл.). Причем на рынке наиболее востребованы установки в диапазоне мощности от 1,5 до 6 МВт.
Первый в России детандер-генераторный комплекс мощностью 10 МВт, состоящий из двух агрегатов ДГА-5000, введен в эксплуатацию в 1994 г. на ТЭЦ-21 Мосэнерго. Оборудование было поставлено московской фирмой «Криокор». Энергоустановки этой компании с двухи трехступенчатыми детандерами осевого типа предназначены для утилизации энергии избыточного давления газа в узлах его редуцирования с коэффициентом перепада давления 3 (и более). Пропускная способность составляет при этом от 30 до 180 тыс. м³/ч.
Поворотная конструкция лопаток 1-й и 2-й ступени ДГА позволяет регулировать расход газа, обеспечивая номинальную мощность установки. Рабочий агрегат представляет собой моноблок, на раме которого установлены детандер, редуктор и генератор.
Для эффективного автономного энергообеспечения крупных промышленных объектов разработаны энергоутилизационные комплексы единичной мощностью от 5 до 30 МВт. Они созданы на базе ДГА и газотурбинных установок, объединенных одним теплоутилизационным контуром. Поступающий в детандер газ подогревается в регенеративном, а затем в утилизационном теплообменнике до температуры 300 °С. При этом утилизируется около 75 % тепла уходящих газов.
На предприятии «Сода» (г. Стерлитамак, Башкирия) введен в эксплуатацию детандер ЭТДА-1500. Он является результатом совместной работы Калужского турбинного завода и ООО «ТурбоДЭН».
В состав ДГУ входит осевой пятиступенчатый безредукторный турбодетандер с КПД не менее 0,77 %; турбогенератор производства ОАО «Привод» (г. Лысьва); автоматическая система управления «Автонит-19» (ООО «Автонит», С.-Петербург), блоки маслоохладителей и системы маслоснабжения, дозирующий и байпасный блоки.
В последние годы в результате сотрудничества ЦИАМ, ОАО «Мотор Сич» и НПТОО «Аэротурбогаз» созданы опытные образцы энергоустановок – ЭТД-1000 (фото 1), УХТА-1, КУРС-1 и КУРС-2. В качестве базового ТД в них использован работающий на природном газе или сжатом воздухе турбодетандер мощностью до 1 МВт. Его универсальность заключается в наличии регулируемого соплового аппарата. Это позволяет работать в широком диапазоне изменения параметров газа по расходу (4...10 кг/с) и давлению (0,5...2,5 МПа). Кроме того, хорошие перспективы связаны с возможностью работы турбодетандера на сжа том воздухе (установка КУРС-2).
В 2007 году ОАО «Мотор Сич» поставило ДК «Укртрансгаз» турбодетандерную электростанцию ЭТД-1000-01-6,3У1. Она будет работать на запорожской ГРС-1 при сбросе давления с 5,5 до 0,65 МПа. Мощность детандера составляет 1000 кВт, расход газа – 9,4 кг/с.
Систему дистанционного мониторинга и управления поставила фирма Festo (Германия). Генпроектировщиком электростанции выступила дочерняя компания «Укртрансгаз». До конца текущего года ее планируется ввести в эксплуатацию.
Уральский завод энергетического машиностроения (входит в корпорацию «Теплоэнергосервис-ЭК») разработало типоразмерный ряд турбодетандеров для работы на высоких (3,0…5,5 МПа) и низких (0,6…1,2 МПа) параметрах газа. Головными образцами базовых серий являются агрегаты ТДА-16500 и ТДА-10500, предназначенные, соответственно, для установки на ГРС и ГРП.
Агрегаты ТДА-16500 и ТДА-10500 имеют практически идентичные конструкции осевого типа, с 9 реактивными ступенями. Первые три венца направляющих лопаток могут быть выполнены поворотными – для регулирования расхода газа через турбину. Турбина размещена в корпусе, который установлен на силовой раме, и представляет единый блок. В наружный неразъемный корпус по специальным направляющим закатывается и выкатывается при ремонтах проточная часть турбины, собранная в единый пакет, который состоит из внутреннего корпуса с элементами статора турбины и облопаченного ротора.
Наличие горизонтального разъема на внутреннем корпусе обеспечивает возможность центровки уплотнений, обойм направляющих лопаток и самого ротора в собственных подшипниках до введения пакета в наружный корпус. В торцевых крышках внутреннего корпуса устанавливаются масляные и газовые уплотнения, подшипники – опорный и опорно-упорный, выступающий в роли главного насоса смазки.
Плотность стыков наружного и внутреннего корпусов достигается за счет колец уплотнения и нормированной затяжки силового крепежа вертикальных фланцев.
Турбодетандерное оборудование с маркой «Турбогаз» хорошо известно не только на Украине, но и в других странах СНГ, где оно эксплуатируется на многих объектах.
В 2005 году компания «Турбогаз» по контракту с ЗАО «Евроэнерго» поставила две турбодетандерные энергетические установки УДЭУ-2500-УХЛ4 для газораспределительного пункта минской ТЭЦ-4. Два утилизационных турбодетандерных агрегата мощностью 4000 кВт и 2500 кВт были поставлены на ГРС-1, (г. Одесса) и КС «Солоха». В 2006 году осуществлена поставка утилизационной турбодетандерной установки УКС2-300 мощностью 300 кВт для КС «Заднепровская» (Черкассытрансгаз) и УДЭУ-2500 (2500 кВт) для Лукомльской электростанции.
В 2001 году на Лукомльской станции впервые на Украине была применена энергосберегающая технология с использованием турбодетандера. Установка мощностью 5 МВт доказала свою надежность и эффективность. Однако зимой она была вынуждена простаивать из-за недостаточного для нормальной работы давления газа. В связи с этим встал вопрос о монтаже еще одной турбодетандерной установки – мощностью 2,5 МВт. В сентябре этого года здесь были завершены работы по монтажу и пусконаладке УДЭУ-2500-УХЛ4. Оборудование поставлено компанией «Турбогаз».
Установка предназначена для преобразования энергии избыточного давления природного газа на ГРП в электрическую энергию. Диапазон изменения расхода газа через турбодетандер составляет 1,4…2,6·10⁶ м³/сут, давления газа на входе в турбодетандер – 0,7…1,3 МПа. Давление газа на выходе из турбодетандера 0,1 МПа. Частота вращения генератора составляет 3000 об/мин, номинальное напряжение переменного трехфазного тока – 10,5 кВ.
В состав УДЭУ входят детандер со вспомогательными системами, турбогенератор ТК-2,5-23У3 производства ОАО «Привод», шкафы с электротехническим оборудованием, система автоматического управления.
Генеральным проектировщиком строительства выступил БелНИПИэнергопром.
В 2004 г. завершились приемочные испытания агрегата ТДА-СРТ-100/130-5,5/0,6 ВРД (фото 2) со струйно-реактивной турбиной мощностью 100 кВт. Испытания проводились на опытно-промышленном стенде ГРС-1 (г. Сумы), который в свое время был спроектирован специалистами ИПП «ВНИПИтрансгаз» (г. Киев). Электрогенераторный агрегат введен в опытнопромышленную эксплуатацию и является базовым представителем унифицированного ряда ТДА-СРТ мощностью 50…500 кВт.
Газовая утилизационная турбина типа ТГУ-11 (фото 3) предназначена для утилизации избыточного давления природного газа с дальнейшей выработкойи электроэнергии. Первая такая турбина была поставлена на Среднеуральскую теплоэлектростанцию.
В состав утилизационной установки входят: турбодетандер, гидрогенератор, блок регулирующего, стопорного и байпасного клапанов, система автоматического регулирования и контроля, масляная система смазки, комплект запасных частей и приспособлений для ремонта.
C 2002 года предприятие НПКГ «Зоря»-«Машпроект» начало осваивать производство детандер-генераторных установок для ГРП газопроводов среднего и высокого давления. В 2004 г. первая установка ДГА-2500СД1 введена в опытно-промышленную эксплуатацию на Новгородской ТЭЦ. Вырабатываемая электроэнергия используется для нужд завода по выплавке меди.
Новая разработка – установка ДГА-3000СД имеет мощность на клеммах генератора 3000 кВт. Ее основой является детандер-редукторный агрегат, который представляет собой 4-ступенчатую осевую турбину, сблокированную с планетарным редуктором На входе в турбодетандер газ давлением 2,5 МПа подогревается в паровом газоподогревателе – для повышения мощности и обеспечения его положительной температуры на выходе. Расходы на подогрев газа частично компенсируются его экономией при сжигании в топках котлов (~0,2 % от расхода газа, проходящего через ДГУ). В турбине потенциальная энергия нагретого до 130...180 °С сжатого газа преобразуется в механическую энергию.
Редуктор снижает частоту вращения выходного вала турбины до частоты вращения ротора генератора – с 14000 до 3000 об/мин.
Для регулирования нагрузки ДГУ, а также давления газа в трубопроводе за установкой, используются регулируемые сопловые аппараты первых двух ступеней турбины. Установка будет подключена параллельно газораспределительному пункту ТЭЦ.
В конструкции детандера применена современная система сухих газовых уплотнений. Она исключает попадание газа из проточной части турбины в помещение ДГУ, а также предотвращает смешивание газа с маслом системы смазки агрегата.
Опытно-промышленный образец турбодетандерного агрегата ДГА-3000СД будет поставлен на Новгородскую ТЭЦ в этом году.
Московская фирма «Автогазсистема-бис» разработала новую технологию комплексного использования энергии газа, теряемой на газораспределительной станции, для выработки электроэнергии и «холода» экологически чистым способом.
С применением этой технологии создан мощностной ряд унифицированных пневмоэлектрогенераторных агрегатов (ПЭГА) мощностью от 100 до 1000 кВт. Из этих агрегатов формируются энергоблоки требуемой мощности – до 8…10 МВт.
В настоящее время на ГРС «Южная» (Мосгаз) введен в эксплуатацию пилотный энергоблок (фото 4) с одним ПЭГА установленной мощностью 2100 кВт (проектом предусмотено четыре ПЭГА) и годовой выработкой электроэнергии 15 млн кВт·ч. В корпусе агрегата, который представляет собой герметичную камеру-капсулу, размещены электрогенератор и турбина. Снаружи, на торце корпуса турбины, установлен блок газораспределения, включающий главное стоп-устройство, дозатор газа и коллектор с газораспределительными патрубками.
ОАО «Невский завод» предлагает широкий модельный ряд детандер-генераторных агрегатов номинальной мощностью от 2300 до 7000 кВт (см. табл.).
Конструкция ДГА (рис.) позволяет изменять характеристики турбодетандеров, приспосабливая их к техническим условиям конкретного объекта. Обеспечена минимально возможная трудоемкость обслуживания оборудования и максимальная ремонтопригодность в условиях станции. Агрегат полностью автоматизирован, смонтирован вместе с электрогенератором на общей раме и поставляется заказчику одним блоком.
Сегодня, учитывая более чем 10-летний опыт применения ДГА в России и СНГ и 20-летний – в странах Европы и Америке, можно говорить о повышении интереса к этому виду генерирующего оборудования.
Следует отметить инвестиционную привлекательность данного сегмента рынка. По разным оценкам, ресурс внедрения ДГ-технологий в России и СНГ оценивается в 5000…8000 МВт – а это загрузка энергомашиностроительных предприятий на много лет, новые рабочие места. Для потребителей – это производство, прежде всего для собственных нужд, относительно дешевой, экологически чистой электроэнергии. Для ОАО «Газпром» внедрение турбодетандерных агрегатов – экономия газа.
Кроме того, детандер-генераторы относятся к оборудованию, созданному по «бестопливным» технологиям, которые поддерживаются Киотским протоколом. Поэтому реализация этих проектов может осуществляться с привлечением средств, полученных от продажи квот на эмиссию парниковых газов.
Поскольку детандерные установки являются источником чистой энергии, экологический результат от их внедрения, выраженный в единицах сокращения выбросов (ЕСВ) парниковых газов и измеряемый в условных тоннах СО₂-эквивалента, рассчитывается по простой формуле:

1 МВт·ч чистой энергии = 0,68 условной тонны СО₂.

Реализацию ЕСВ, получаемых в ходе внедрения проекта, можно осуществлять сразу, с началом строительства, и первые платежи могут быть получены еще до начала эксплуатации турбодетандеров.
Срок окупаемости проектов с детандергенераторными установками, по разным оценкам, составляет от 3 до 5 лет.