Полищук В.В., кандидат технических наук, доцент Петербургского энергетического института повышения квалификации
Моренов В.А., аспирант Касьянова А.Н., аспирант (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»)
КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С БИНАРНЫМ ЦИКЛОМ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В статье рассмотрены вопросы комплексного энергоснабжения нефтегазодобывающих предприятий. Обоснована актуальность применения когенерационного режима эксплуатации электроустановок. Предложена схема когенерационной установки с бинарным циклом для электроснабжения объектов нефтяных месторождений. Применение предложенной схемы позволяет наиболее эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя, уменьшая тем самым стоимость получения энергии.
Ключевые слова: электроснабжение, бинарная энергоустановка, нефтепромысел, микротурбины.
COMBINED HEAT AND POWER PLANT WITH BINARY CYCLE FOR OIL AND GAS ENTERPRISES POWER SUPPLY
Problems of oil producing enterprises combined power supply are considered in the article. Relevance of combined heat and power implementation is justified. Scheme of cogeneration plant with binary cycle for power supply of oilfield objects is advised. Implementation of such scheme allows most complete utilization of primary energy carrier thus lowering power costs.
Keywords: power supply, combined power plant, oilfield, microturbines.
С увеличением объемов добычи минерально-сырьевых ресурсов неизбежно встает вопрос эффективного энергоснабжения проводимых работ. Истощение эксплуатируемых месторождений вынуждает смещать районы добычи в удаленные труднодоступные области. Так, вводимые объекты нефтедобычи располагаются в районах Крайнего Севера и восточной Сибири, где отсутствует централизованное электроснабжение, что обуславливает применение локальных источников энергии различного типа. При разработке нефтегазовых месторождений в последнее время широкое распространение получили газогенераторные установки, такие как газотурбинные установки (ГТУ) и газопоршневые агрегаты (ГПА), которые могут функционировать как на природном, так и на попутном нефтяном газе. Более того, такие установки помимо генерации электрической энергии способны вырабатывать значительное количество тепловой энергии. Таким образом, на сегодняшний день актуальной является задача повышения эффективности генерации и преобразования электрической и тепловой энергии.
Микрогазотурбинные электроагрегаты (МГТЭА) могут использоваться как в режиме генерации электрической энергии, так и в режиме когенерации - одновременной выработке электричества и тепла. Для оценки энергетической эффективности использования первичного энергоносителя в режиме когенерации были проведены экспериментальные исследования на 24 МГТЭА Capstone C200, единичной мощностью 200 кВт, и 60 ГТУ и ГПА в диапазоне мощностей до 1000 кВт.
В результате исследований установлено, что для газотурбинных установок соотношение между тепловой мощностью, которую можно использовать для когенерации, и электрической (кТЭ) составляет 2:1. Для газопоршневых установок, имеющих более высокий КПД, данное соотношение может быть принято как 1,5:1.
Тепловая мощность когенерации для ГТУ может быть определена по формуле.
Чког = 2 Х РНОМ Х КТИ Х КЗ х КВГ ;
для ГПА, соответственно,
ЧкОГ = !, 5 Х РНОМ Х КТИ Х КЗ Х КВГ .
где Рном - номинальная электрическая мощность установки; Кти - коэффициент технического использования установки; КЗ - коэффициент загрузки по установке;
КВГ - коэффициент, учитывающий потери тепловой мощности с уходящими выхлопными газами.
Исходя из объема утилизируемого попутного нефтяного газа тепловая мощность когенерации для ГТУ:
= 0,6 X У„НГ Х ЧПНГ .
Чког 8,64 Х104 ;
для ГПУ - соответственно:
Ч = 0,5 Х УПНГ Х Чпнг ;
Чког 8,64 Х104 ;
где УПНг - суточный объем утилизируемого попутного нефтяного газа. ЯпНг - теплотворная способность попутного нефтяного газа.
Тогда располагаемая электрическая мощность генераторов с ГТУ:
р = 0,3 Х Упнг Х Чпнг ;
ргж 8,64 Х104 х КТИ х КЗ
для ГПУ, соответственно,
р = 0,4 Х Упнг Х Чпнг
Ргп- О 1 А4
8,64 х 104 Х КТИ х КЗ
В результате экспериментальных исследований установлено, что для микротурбинных установок расчетный КТИ может быть принят равным 0,8. Расчетный КЗ в зимний сезон принимается равным 0,9, в летний - 0,75^0,8. КВГ принимается равным 0,85.
Проведенные исследования на базе энергетических установок нефтяных месторождений показали, что получаемую тепловую энергию не всегда возможно использовать в доступном количестве. В зимний период тепловая энергия применялась для нагрева нефтяной эмульсии, поступающей на подготовку, и обогрева жилых и производственных помещений. В летнее время имеется значительное количество невостребованного тепла.
Необходимость в энергии меняется в значительных пределах и зависит от графиков электрической и тепловой нагрузки потребителей, температуры окружающей среды. Поэтому це-
лесообразно дополнить когенерационную установку бинарным циклом. Это позволит более эффективно и гибко управлять комбинированным производством электрической энергии [2].
В настоящее время ведется работа по адаптации режимов функционирования электротехнических комплексов с автономным электроснабжением от генерирующих установок, работающих в когенерационном цикле, к условиям нефтегазодобывающих предприятий на основе опыта эксплуатации более 20 генерирующих установок, с использованием в качестве энергоносителя попутного нефтяного газа.
Для этих целей можно использовать многофункциональную бинарную энергетическую установку, основным узлом которой является электроагрегат [3]. Дополнительными узлами в такой установке являются теплообменник и паротурбинный электроагрегат (ПТЭА) (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема многофункциональной бинарной энергетической установки.
Эффективность работы МГТЭА определяет возможности использования остальных частей установок, поэтому принимая усредненный электрический КПД микротурбины 35 %, до 55 % остающейся тепловой энергии можно использовать непосредственно или преобразовать далее в зависимости от нужд потребителя. Энергетический баланс такого комбинированного энергетического комплекса представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Энергетический баланс бинарного комплекса.
Рассмотрим в качестве примера МГТЭА Capstone C1000, номинальной мощностью 1000 кВт и КПД 33%. Согласно схеме энергетического баланса бинарного комплекса потенциальная тепловая мощность установки составит 2000 кВт. Таким образом, согласно [4], предполагаемая электрическая мощность установки бинарного цикла составит:
NT = Q, V V V,
(1)
где Qm - тепловая нагрузка системы парогенерирования ПТЭА; Г - внутренний КПД паротурбинного цикла;
r¡M, гг - коэффициенты, учитывающие механические и электрические потери в электрогенераторе, rM = Гг = 0,98.
Для установки Capstone С1000 и при использовании в качестве рабочей среды пен-тафлорпропана уравнение (1) примет вид:
N ПТЭА = 1351.0,23. 0,98 • 0,98 = 298 кВт.
Таким образом, в результате использования бинарного цикла производится дополнительно 300 кВт электрической мощности. В условиях излишков тепловой энергии, дополнительное производство электрической энергии позволяет поддерживать эффективность преобразования первичного энергоносителя на достаточном уровне, удовлетворяя потребности предприятия в электрической энергии в соответствии с графиками нагрузки [5].
В результате применения многофункциональной энергетической установки повышается эффективность комплексного энергоснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса. Применение МГТЭА в качестве основного узла электротехнического комплекса позволяет эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя для получения электрической и тепловой энергии, что в итоге уменьшает себестоимость получения энергии и повышает экологичность ее производства. Внедрение таких установок актуально для предприятий, удаленных от линий централизованного электрообеспечения, при этом имеющих значительную потребность в разных видах энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лимитовский А.М. Энергообеспечение технологических потребителей геологоразведочных работ // Лимитовский А.М., Меркулов М.В., Косьянов В. А. Учеб. пособие. - М.: ООО «ИПЦ «Маска»», 2008. - 135 с.
2. Boyce M.H. Gas turbine engineering handbook. - 2012. - Elsevier inc., 993 p.
3. ArmanH. New developments in renewable energy // Arman H., Yuksel I. Intech, 2013, 418 p.
4. Забарный Г.Н. Использование бинарных установок для производства электроэнергии // Забарный Г.Н., Шурчков А.В., Горохов М.И., Здор В.А. ИТТ НАН Украины. - Киев, 2003. - 50 с.
5. Моренов В.А. Эффективность применения попутного нефтяного газа в качестве энергоносителя // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2012. - №3-2. - с. 61-65
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.