10.02.2014
Избыточное давление природного газа… всем на пользу
Интересным подходом повышения энергоэффективности промышленных предприятий поделился инженер Кирилл Левков – руководитель проекта «ТурбоСфера» ООО «Промгазоборудование», выступая на международной научно-практической конференции «Энергосбережение в промышленности». Решение вопроса энергоэффективности он видит в преобразовании тепловых отходов и энергии избыточного давления природного газа в электроэнергию.
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и утилизация вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) является одними из основных путей обеспечения энергетической безопасности страны. Предлагается обратить внимание на «свободную энергию» в случаях:
снижения давления природного газа за счет процесса дросселирования на газораспределительных станциях и на газорегуляторных пунктах;
снижения давления водяного пара на котельных за счет дросселирования;
наличия низкопотенциального сбросного тепла.
В промышленности и энергетике существует несколько типов использования тепловых отходов. Если вторичное тепло возвращается в технологию в качестве энергоносителя, то такой процесс относят к регенеративному использованию тепловых отходов или регенерацией. Наиболее распространенными примерами регенерации являются нагрев воздуха окислителя дымовыми газами в рекуператоре при металлургическом производстве, подогрев питательной воды с помощью отборов пара на тепловых электрических станциях и т.д.
Наиболее простым во многих случаях может быть утилизационное теплоиспользование. Этот термин подразумевает использование тепловых отходов не в технологических нуждах, а на стороне, например для создания микроклимата посещений. Утилизация тепловых отходов позволяет лишь косвенно уменьшить потребление первичного топлива, замещая энергию, генерируемую в энергосистеме, на собственно выработанную.
Наряду с этим существует комбинированное теплоиспользование, включающее оба перечисленных метода. Таким образом можно достичь максимальной эффективности использования энергетических ресурсов в промышленности и уменьшить затраты на выпуск продукции.
С учетом вышесказанного, для оценки энергоэффективности теплотехнологических процессов вводится ряд показателей. Одним из типов таких показателей является коэффициент полезного действия (КПД). Принято для промышленных теплотехнологий различать технологический и энергетический КПД.
Технологический КПД показывает совершенство технологического процесса с энергетической стороны и определяется из выражения:
К полезному эффекту относится лишь количество полезно использованной на технологию теплоты Q1. Величины B и дельта В характеризуют, соответственно, расход топлива и сокращение расхода топлива при регенеративном теплоиспользовании. Величина Qi характеризует теплотворную способность топлива.
Более высоким значением обладает энергетический КПД. Этот показатель зачастую может не отражать реального положения дел и совершенства тепло-технологического процесса. К примеру, на практике может оказаться значение технологического КПД не превышающего 15-20%, а энергетический в той же технологии может составить 50-70%.
Энергетический КПД определятся из аналогичной зависимости:
Однако, здесь в качестве полезного продукта учитывается еще и величина выигрыша Qaii полученная за счет утилизационного теплоиспользования.
На практике часто оказывается, что регенеративное теплоиспользование не может быть применено в силу низкого потенциала энергоносителей или других причин. И возможно проводить утилизацию энергии только для других технологий.
Из вышесказанного следует сделать вывод о необходимости комплексного подхода при решении задачи использования тепловых отходов. Принято использовать понятие «вторичные энергетические ресурсы» для обобщения всех видов вторичной энергии в энергетике и промышленности.
Ресурсы избыточного давления на промышленных предприятиях также велики: происходит дросселирование природного газа на заводских и цеховых ГРП (ГРУ), редуцирование давления водяного пара на промышленных котельных.
В целом основными источниками ВЭР в различных отраслях промышленности выступают технологические агрегаты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической стороны.
На сегодняшний день все большую актуальность приобретает новый путь использования ВЭР. Речь идет о выработке электрической или механической энергии.
Наиболее энергоэффективным генерирующим источником являются утилизационные турбины (турбодетандеры), КПД которых достигает 70%. Они работают за счет энергии избыточного давления природного газа, преобразуя ее в механическую (электрическую). Это один из основных способов утилизации ВЭР избыточного давления. В промышленных котельных применяются противодавленческие турбины для снижения давления водяного пара.
Утилизация тепловых отходов осуществляется также в утилизационных установках, однако работающих по органическому циклу Ренкина. Применяется замкнутый цикл низкокипящего рабочего тела (углеводороды, хладоны и др. вещества с низкой температурой кипения).
В обоих случаях выработанная энергия может быть использована непосредственно на самом предприятии для технологических нужд. Различного рода тягодутьевые и нагнетательные устройства, транспортные средства и вспомогательное оборудование нуждается в электрической или механической энергии. Промышленный потребитель будет получать выгоду за счет замещения электроэнергии от электрической станции собственно выработанной энергией.
Таким образом, вырабатывая электрическую энергию при помощи утилизационных установок, происходит своего рода регенеративное теплоиспользование со значительным увеличением качества энергии: низкопотенциальная энергия преобразуется в электроэнергию.
Утилизационных установок для преобразования энергии избыточного давления и тепловых отходов в электроэнергию существует не много. В мире производятся установки преимущественно большой мощности, применение которых весьма ограничено. Для большинства потребителей необходимы агрегаты, способные работать с малыми, изменяющимися расходами потоков и с параметрами низкого потенциала. Существующие установки малой мощности обладают определенными недостатками, ограничивающие их применение.
Для их устранения в Республике Беларусь разработана инновационная утилизационная энергетическая установка «ТурбоСфера», которая сочетает в себе одновременно турбину, теплообменник и электрогенератор. Такая схема позволяет реализовывать новые энергетические циклы за счет приближения процесса расширения потока к изотермическому. Это достигается за счет большого количества ступеней расширения и подогрева. Данный процесс осуществляется на одном рабочем колесе и в одном агрегате. Нагрев потока происходит многократно, в соответствии с числом ступеней расширения, во время его движения от одного сектора рабочего колеса к другому. Перемещение потока идет по круговой спирали внутри каналов, которые образуют сферическую поверхность.
«ТурбоСфера» служит для утилизации энергии избыточного давления природного газа на ГРС и ГРП, одновременно используются низкопотенциальные тепловые отходы для подогрев газа в процессе расширения. Т.е. установка работает без потребления топлива, а лишь использует часть уже затраченной энергии.
В будущем «ТурбоСфера» может быть модернизована для использования избыточного давления водяного пара на промышленных котельных, утилизации тепловых отходов по органическому циклу Ренкина и т.д., что делает её крайне перспективным, экологически чистым и автономным источником получения электроэнергии в промышленности. Ресурсы, практически не используемые в настоящее время, обладают огромным потенциалом, который данная технология поможет раскрыть и успешно применять.
В связи с ростом цен на энергоресурсы использование энергии избыточного давления газа, а также энергии тепловых отходов (дымовые газы, сбросной пар, горячая вода и т.д.) становится особенно актуальным. Это повысить энергоэффективность и рентабельность промышленных предприятий, снизить потребление первичного топлива и нагрузку на окружающую среду, за счет снижения количества загрязняющих выбросов.
