|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 05/2009
Energia elektryczna z gazowej rury
|
|
na podstawie O. Uklecziow „Detander-generator: od pomysłu do praktyki”, Energetyka i Promyszlennost Rossii 4/2009
W 1994r. w moskiewskiej elektrociepłowni TEC-21 uruchomiono pierwsze w rosyjskiej energetyce turbozespoły detander-generator. Pod tą obco brzmiącą nazwą (detander - rozprężarka, silnik ekspansyjny) kryje się urządzenie do odzysku energii sprężonego gazu ziemnego, które dla produkcji energii elektrycznej nie wymaga spalania paliwa. Dwa turboagregaty o jednostkowej mocy 5 MW produkują rocznie 80 mln kWh energii, co przy tradycyjnym sposobie utylizacji wymagałoby spalania do 30 mln m3 błękitnego paliwa.
|
Od tej pory minęło 15 lat, lecz tylko w nielicznych rosyjskich zakładach (elektrownie Srednieuralska i Riazańska) sięgnięto po to bardzo tanie źródło czystej energii.
Jak wiadomo, dla transportu gazu ziemnego na duże odległości konieczne jest jego sprężenie. Tym samym uzyskuje on znaczną energię mechaniczną, która zostaje zużyta na jego przemieszczanie. W gazociągach panuje ciśnienie 50-70 atmosfer podtrzymywane przez następne kompresory rozmieszczone co około 200 km. Dla odbiorców tak wysokie ciśnienie jest nie tylko zbędne, lecz nawet niebezpieczne; dlatego w miejscach zużycia paliwa następuje stopniowa redukcja ciśnienia: najpierw do 6-12, następnie do 1-3 atmosfer. Rozprężanie gazu odbywa się w specjalnych zaworach, na wylocie których następuje rozszerzanie czynnika kosztem obniżenia ciśnienia. W procesie tym ogromna ilość energii zużytej na kompresję gazu zostaje bezpowrotnie stracona. Pojawia się naturalne w takiej sytuacji pytanie o wykorzystanie tych zasobów energii. Koncepcję tę wysunęli jeszcze w latach 40-tych ubiegłego stulecia radzieccy akademicy Milionszczikow i Kapica – dla jej urzeczywistnienia potrzeba było niestety aż pół wieku. Utylizacja „odpadowej” energii sprężonego gazu ziemnego przebiega w dość prosty sposób: gaz z rurociągu zamiast do rozprężacza kieruje się do specjalnej maszyny zwanej detanderem. Jest to zazwyczaj trójstopniowa turbina, w istocie niewiele różniąca się budową od typowych turbin gazowych i parowych. Przy rozprężaniu w niej gaz wykonuje pracę mechaniczną (napędza wał turbogeneratora) kosztem traconej energii cieplnej. Po wylocie z turbiny gaz o niskich parametrach tj. ciśnieniu i temperaturze jest kierowany do odbiorców. Jednak dla uniknięcia oblodzenia detandera (spadek temperatury może sięgać 70 C˚) gaz przed podaniem do turbiny podgrzewa się w wymienniku ciepła wodą lub parą. Jednocześnie ten wstępny podgrzew dodatkowo podnosi energię wewnętrzną gazu, dzięki czemu wzrasta moc oddawana w turbinie i jej sprawność. Rosyjska firma „Kriokor” oferuje zintegrowane układy detandera z turbiną gazową osadzoną na wspólnym wale. Moce obu źródeł napędowych dobiera się na podobnym poziomie, co wymaga spalania w turbinie 1-2% gazu dopływającego rurociągiem; pozostała ilość medium oddaje energię w detanderze. Takie rozwiązanie nie tylko podwaja wytwarzaną moc elektryczną, lecz także dostarcza odpadowego ciepła spalin wylotowych z turbiny gazowej do wstępnego podgrzewania gazu zasilającego detander. Powyższy układ zalecany jest dla zakładów pozbawionych odpadowego ciepła niezbędnego dla detandera np. dla stacji rozdziału gazu redukujących ciśnienie. Agregaty detander- generator mogą także stanowić cenne uzupełnienie dla bloków opalanych gazem lub parowo-gazowych. Oczywiście instalacje te nie są w stanie konkurować z konwencjonalnymi elektrowniami dużej mocy, ale w przeliczeniu na jednostkowe nakłady inwestycyjne są one 2-4 razy tańsze (koszt budowy źródła 1 kW nie przekracza 450 USD), a dodatkowo ich montaż jest znacznie szybszy, zaś zwrot poniesionych kosztów następuje w ciągu 3 lat. O zaletach ekologicznych wspomniano na wstępie. Do wytworzenia 1 kWh energii elektrycznej w detanderze zużywa się do 70 gramów paliwa umownego czyli około 4 razy mniej niż w elektrociepłowniach, a należy pamiętać, że energia przezeń pobierana pochodzi z odpadowego strumienia ciepła. Wymowne jest porównanie sprawności omawianych instalacji wytwórczych: turbina cieplna do 50 %, bloki parowo-gazowe poniżej 60 %, turbozespoły na bazie detandera – 75%.
Niestety zastosowanie tak wydajnej i czystej technologii jest ograniczone do miejsc, gdzie z magistralnych rurociągów odbiera się gaz i redukuje się jego ciśnienie. Moc tych źródeł jest uwarunkowana różnicą ciśnień oraz przepływem czynnika i w praktyce zawiera się między 2.5 do 30 MW. Ocenia się, że w Rosji można zainstalować te układy w ponad 600 stacjach rozdzielczych gazu i punktach redukcyjnych. Ich łączna moc elektryczna wyniosłaby 2750 MW, co zapewniłoby produkcję 22 mld kWh energii, do wytworzenia której należałoby spalać alternatywnie rocznie 6 mld m3 tego paliwa. W samych tylko opalanych gazem ziemnym elektrociepłowniach obwodu moskiewskiego istnieją sprzyjające warunki do zainstalowania około 20 agregatów detander-generator o sumarycznej mocy 105 MW. Wprawdzie produkowałyby one zaledwie 1 % ogólnej energii tych zakładów, lecz pozwoliłyby na zaoszczędzenie aż 150 000 ton paliwa umownego i przy okazji obniżyłyby emisję zanieczyszczeń w stołecznej aglomeracji o 400 ton rocznie. Korzyści wynikające z tych porównań są wymowne, jednak rosyjscy wytwórcy i sprzedawcy energii wciąż nie wykazują należytego zainteresowania tą dostępną i w zasadzie już opanowaną technologią.
Być może narastający deficyt dostaw gazu dla energetyki zmieni nastawienie RAO EES Rosji (państwowy właściciel większości rosyjskiej elektroenergetyki) do instalacji detanderowych. Jak wspomniano, pozwoliłyby one zaoszczędzić rocznie 6 mld m3 gazu ziemnego czyli ilość odpowiadającą 4 % jego eksportu o wartości 700 mln USD. Oprócz oszczędności paliwa wprowadzenie tej technologii obniżyłoby także nakłady na odtwarzanie starzejących się źródeł wytwórczych. Jednak na razie te skromne – jak na rosyjską skalę – wielkości nie przemawiają do decydentów sektora energetycznego. Jeszcze większy efekt przyniosłoby wdrażanie detanderów w Gazpromie. Obliczono, że technologia ta zaspokoiłaby w pełni zapotrzebowanie firmy na energię elektryczną, które wynosi rocznie aż 16 mld kWh i w większości jest pokrywane z zakupów w RAO EES. Z punktu widzenia Gazpromu celowe zatem byłoby wyposażyć swoje stacje rozdziału gazu w agregaty detanderowe, a nadwyżki produkowanej energii przeznaczyć na sprzedaż. Następnym obszarem zastosowania nowej technologii mogą stać się energochłonne zakłady zużywające gaz ziemny, a także miasta i osiedla zaopatrywane w to paliwo. Chociaż wytwarzanie energii elektrycznej nawet w nadmiarze nie uwolniłoby wymienionych odbiorców od potrzeby zewnętrznego zasilania elektrycznego (konieczność rezerwowania źródeł zasilania), to znacznie obniżyłoby ich wydatki na powyższe cele. Stworzenie koniunktury na nowe źródła powinno być stymulowane przez państwo za pomocą ulg podatkowych i ułatwień pozyskiwania funduszy. Modernizacja i racjonalizacja działania sektora paliwowo-energetycznego kraju nie będzie przecież możliwa bez wdrażania energooszczędnych rozwiązań, do których można już dzisiaj śmiało zaliczyć agregaty detanderowe.
Układy generacji energii elektrycznej w oparciu o detandery pracują także w kilku innych krajach m.in. w Niemczech i Włoszech. Należy do nich również Białoruś, gdzie od 2000r. z powodzeniem pracuje taki agregat w elektrowni Lukomlska wyposażonej w kotły opalane gazem ziemnym. Białoruski turbodetander jest dwustopniową turbiną gazową o znamionowej prędkości 9600 obr/min, która przez przekładnię napędza generator synchroniczny o typowej prędkości 3000 obr/min. Ciśnienie gazu na wlocie do detandera wynosi 11-12 atm, zaś na wylocie 1.25 atm. Dla utrzymania właściwej temperatury gazu wylotowego zastosowano podgrzewanie tego nośnika wodą sieci grzewczej oraz wodą wylotową z chłodnic generatora i układu olejowego. W ten sposób gaz rozprężony w detanderze zostaje ogrzany do temperatury 1 do 3 C˚ wymaganej dla tego paliwa przed podaniem do kotłów elektrowni. Producentem tej nowatorskiej instalacji jest moskiewska firma „Kriokor”, dostawca podobnych agregatów do wspomnianej elektrociepłowni TEC-21. Białoruski detander o znamionowej mocy 5 MW zużywa 145 tys. m3 gazu w ciągu godziny. Praca instalacji jest sterowana automatycznie ze zdalnego systemu. Zużycie paliwa umownego przez turbodetander wynosi 72 g/kWh w porównaniu ze średnim wskaźnikiem 316 g dla całej elektrowni Lukomlska, natomiast jednostkowy koszt. produkcji energii jest ponad dwukrotnie niższy. Według miejscowych specjalistów efektywność układu znacznie wzrośnie po uruchomieniu autonomicznego systemu podgrzewania gazu.
Typowymi agregatami detander-generator dostarczanymi przez wspomnianą firmę „Kriokor” są układy typu UTDU i UDEU o mocach od kilkuset kW do kilku MW. W skład dostawy wchodzi turbozespół detander-generator z pomocniczymi układami, szafy wyposażone w aparaturę elektryczną oraz układy automatyki, pomiarów i sterowania.
Na uwagę zasługuje jeszcze jedno zastosowanie detanderów – dzięki oziębianiu rozprężanego gazu możliwe jest także chłodzenie. Opcja ta pozwala na realizację niektórych procesów technologicznych takich jak uzyskiwanie z gazu ziemnego poszczególnych frakcji lekkich węglowodorów czy wydzielanie metanu i etanu w absorberach odgazowanego kondensatu. Takie przydatne w przemyśle chemicznym możliwości udostępnia strumień wylotowego gazu o temperaturze minus 30 C˚ z detandera serii UDEU. Agregaty o tym przeznaczeniu są z powodzeniem eksploatowane w kilku krajach b.ZSRR. Dla przykładu w zakładach Sołocha na Ukrainie wdrożono turbozespół typu UDEU-2500 przeznaczony do produkcji czynnika chłodzącego o temperaturze minus 30 C˚ w układzie niskotemperaturowej absorpcji z jednoczesnym wytwarzaniem energii elektrycznej w ilości 13 mln kWh rocznie. Przy okazji uzyskuje się około 86 tys. ton skroplonego propanu i butanu. Zwrot nakładów na budowę instalacji nastąpił w ciągu 1,5 roku.
|
|
|
|
