Підвищення ефективності газотранспортної системи

8 Ноя

Сьогодні важливою є  проблема забезпечення розвитку та модернізації вітчизняної газо­транспортної системи, адже вона є стратегічно важливою в контексті гарантування енергетичної безпеки країни та підтримки національної енергетичної конкурентоспроможності в довготерміновій перспективі.  Зараз в Україні триває модернізація газотранспортної системи. Національна акціонерна компанія «Нафтогаз України» приступила до робіт на українській ділянці магістрального газопроводу «Уренгой-Помари-Ужгород».

Згідно з проектом, модернізація газопроводу підвищить надійність транспортування природного газу, підвищить коефіцієнт корисної дії газоперекачувальних агрегатів з 25% до 36% і зменшить витрати паливного газу приблизно на 600 млн кубометрів на рік.  Мова йде про зниження обсягів споживання технологічного газу.  Оптимальне вирішення цього питання є надзвичайно важливим для енергетичної безпеки країни. Справа в тому, що сьогодні відповідно до планів  модернізації ГТС пропонується недостатньо ефективна реконструкція компресорних станцій (КС) [1].

Відповідно до проекту реконструкції ГТС планують замінити газотурбінні приводи  газоперекачувальних агрегатів (ГПА) новими газовими турбінами. За рахунок цього  підвищиться коефіцієнт корисної дії газоперекачувальних агрегатів з 25% до 36%. В результаті очікують  зменшення витрати паливного газу приблизно на 10% від обсягу затрат технологічного газу, а це близько 0.36 млрд. кубометрів у рік (витрати газу на технологічні потреби у 2016 році складали 3.6 млрд. кубометрів) [1-2].

Але існує більш ефективне вирішення питання, що дозволило б  значно збільшити економію  технологічного палива. Шляхом оптимізації технологічного циклу можна значно підвищити ккд приводу ГТУ і максимально використати теплоту викидних газів. Для цього необхідно замінити газотурбінний привід на електричний на усіх ГПА (На українській ГТС встановлено 158 електроприводних газоперекачувальних агрегатів (ЕГПА) загальною потужністю 820 МВт, що складає 14,6% потужності всіх ГПА, встановлених на компресорних станціях ГТС України. Однак, фактично в експлуатації перебувають 7 … 10 ГПА, які використовуються на 15 … 18%). Для електроживлення таких ГПА необхідно побудувати парогазові когенераційні  установки (Когенераційна установка – це енергетична установка в якій реалізовано комбіноване (когенераційне) вироблення електричної та теплової енергії) (КУ) у місцях, близьких до крупних споживачів теплоти[3-4]. Такими споживачами є котельні «Теплолокомуненерго» у містах. Паливом для цих КУ буде  природний газ, який спалюється сьогодні у газових турбінах ГПА. Електроенергія, що вироблятимуть КУ постачатиметься до компресорних станцій, а теплоту  споживатимуть «Теплолокомуненерго».

Сучасні парогазові бінарні когенераційні установки виробляють електроенергію з ккд  близько 45-50% і теплову енергію з ккд 40%[3]. Тому у випадку використання  КУ споживання теплоти, що утворюється при згорянні природного газу, може  становити близько 90%. Це приблизно на 50% більше ніж за використання високоефективного  газотурбінного приводу ГПА, який споживатиме у кращому випадку 36% теплоти, а 64% теплоти викидатиметься в навколишнє середовище. Отже за запропонованою нами  схемою потенціал річної економії природного газу становитиме близько 1.8 млрд. кубометрів, у той час як існуючі пропозиції дозволять економити  лише 0.36 млрд. кубометрів.

Таким чином модернізація ГТС за запропонованою технологічною схемою у п’ять разів ефективніша ніж та, яку планує реалізувати  «Укртрансгаз» [3-5].

Дієвість запропонованого технологічного циклу пропонується перевірити шляхом реалізації пілотного проекту для Богородчанської компресорної станції та Івано-Франківського «Теплокомуненерго». [6] У випадку реалізації цього проекту можна буде заощаджувати 20 млн. кубометрів природного газу щорічно.  Техніко-економічні розрахунки реалізації пілотного проекту викладені у додатку.

Загалом технічна сторона реалізації пілотного проекту  не є складною, оскільки  сьогодні є великий вибір необхідного технологічного обладнання і великий досвід його експлуатації.

Що стосується фінансового забезпечення (близько $50 млн.), то тут не повинно бути проблем також. Значна частина з необхідних коштів для реалізації пілотного проекту буде використана з тих коштів, що передбачені на реконструкцію всієї ГТС. А це близько  $3 млрд. на першому етапі реконструкції ГТС. Також частина коштів повинна надійти з міського бюджету, адже місто є зацікавлене в модернізації свого «Теплокомуненерго».

Крім цього, на такий проект завжди знайдуться приватні інвестори, оскільки  в результаті його реалізації затрати швидко окупляться.

Пропонується особлива технологічна схема, суть якої полягає у комплексному використанні  для енергопостачання тандему підприємств. Такими тандемами можуть бути підприємства «Теплокомуненерго»  і компресорні станції магістрального газопроводу. Для прикладу, нижче наведено проект та техніко-економічні розрахунки для Богородчанської компресорної станції і Івано-Франківського «Теплокомуненерго» [6]. У випадку реалізації цього проекту можна буде заощаджувати 20 млн. кубометрів природного газу щорічно.

На даний час в різних районах міста Івано-Франківськ є котельні підприємства «Теплокомуненерго», що споживають природний газ для теплопостачання (рис.1а). На відстані близько 25 км (біля смт Богородчани) розміщена компресорна станція (КС) магістрального газопроводу. Тут компресори великої потужності  стискають природний газ для його переміщення через магістральний трубопровід. Компресори приводяться в рух за допомогою газотурбінних установок (ГТУ) (рис.1б).  Потужність однієї ГТУ близько 20 МВт і вона споживає до 2 м3/с природного газу. Теплові викиди (потужність теплового потоку) при цьому становлять близько 50 МВт.  Це близько того, що виробляє середня за розмірами котельня.

газотранспортна система

Пропонується  використати теплові викиди ГТУ для теплопостачання міста. Для реалізації цієї пропозиції необхідно провести організаційно-фінансові та технологічні зміни (рис.2).  Необхідно замінити ГТУ приводу компресора на електричний привод. А  котельню в Івано-Франківську замінити когенераційною установкою (КУ).

Газ, що зараз спалюється в ГТУ, передати для живлення КУ. Електроенергія, що вироблятиме КУ, подаватиметься на електропривод компресора, а теплота вироблена КУ використовуватиметься для теплопостачання міста.

schema_2

Нижче наведено розрахунки.

1. Економія газу. За теперішньою схемою для забезпечення теплового потоку у 30 МВт котельнями «Теплокомуненерго» спалюється близько 1 м3/с  газу. У випадку заміни частини котелень когенераційною  установкою  цей газ витрачатись не буде, оскільки для живлення КУ використовуватиметься газ, який спалювали в газовій турбіні (2 м3/с). Замість котельні теплопостачання забезпечить КУ (30 МВт). Електроенергія, яку вироблятиме КУ постачатиметься на електропривод компресора.

Поза опалювальним сезоном теплота від КУ використовуватиметься для гарячого водопостачання міста, коли котельні міста відключені, тобто КУ працюватиме протягом року.

В результаті економії  природного газу 1 м3 за секунду, який тепер спалюється в міських котельнях,  протягом року  можна буде зекономити

1 м3/с х 3600 х 8000год/рік = 28 800 000  м3/рік

З урахуванням простоїв КУ на обслуговування та ремонти економія становитиме  близько 20 млн м3 природного газу за рік,  вартість якого  $ 5млн (з розрахунку $250 за куб.м).

 2. Розрахунок необхідної кількості палива для ГТУ. Для того, щоб отримати потужність ГТУ у 20 МВт за її к.к.д. 30% необхідно 70 МВт теплового потоку:   70 х 0.3 = 21 МВт. Такий тепловий потік можна забезпечити, якщо спалювати близько   2 м3/с природного газу з теплотворною здатністю 35 МДж/м3:

35 х 2 = 70 МДж/с = 70 МВт

3. Розрахунок кількості теплоти і електроенергії за секунду, яку можна буде виробляти у КУ за використання палива, що споживає ГТУ. Якщо природний газ у кількості 2 м3/с пропустити через парогазову когенераційну установку з к.к.д. по виробництву електроенергії  близько 45% можна одержати:

 — потужність виробництва електроенергії:

70х 0.45 = 31.5 МВт ~ 30 МВт;

 — тепловий потік (за умови втрат 10% теплоти) також  близько 30 МВт.

3.1 За одержаний газ на КС  необхідно буде повертати електроенергію потужністю 20 МВт для електроприводу, яким планується замінити ГТУ на КС. Щоб зацікавити газовиків можна також віддавати решту 10 МВт потужності електроенергії з тих 30 МВт, що вироблятиме КУ.  Це додаткова електроенергія,  виробництво якої протягом року становитиме (без врахування втрат в електромережах) :

10  МВт х 3600 с х8000 год/рік =288 х106  МДж, або 288 х 106:3.6 МДж/кВтгод =80 млн. кВтгод.

3.2 Розрахунок теплової енергії, яку вироблятиме КУ.

Теплова енергія, яку вироблятиме КУ, залишиться для міста (газовикам її непотрібно). Кількість теплової енергії, що вироблятиме  КУ  становитиме:

30 МВт х 3600с х 8000 год/рік =  864 х 106 МДж : 4199 МДж/Гкал =  205763 Гкал~ 200 тис. Гкал

4. Розрахунок коштів, які можна одержати за зниження викидів СО2 в області.

Зменшення споживання природного газу в області на 20 млн./рік дозволить одержати значні кошти від продажу квот на викиди СО2.

Під час спалювання 1 м3 природного газу виділяється близько 0.5 кг діоксиду вуглецю. Економія  20 млн. м3  газу зменшить викиди  СО2:

20х106 х 0.5 = 107 кг = 10 000 т

Оскільки, відповідно до домовленості у Кіото на Конференції Сторін Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату (грудень 1997 р.), право на викиди  1 т парникових газів коштує  20 — 100 доларів США, то продаж прав на викид 10 000 т двоокису вуглецю становитиме від 0.2 до 1 млн. доларів.

В результаті заміни газової турбіни потужністю 20 МВт на електродвигун  тільки одного  компресорного агрегату і заміни однієї-двох котелень на КУ Івано-Франківського «Теплокомуненерго» приблизно отримаємо:

  • 20 млн.  м3 економії природного газу за рік вартістю близько $ 5млн;
  • виробництво  до 80 млн. кВтгод додаткової  електроенергії вартістю більше   100млн. грн.;
  • зниження викидів СО2 в навколишнє середовище на 10 тис. т;
  • додаткові робочі місця.

Термін окупності запропонованого проекту не буде перевищувати шість-сім років.

Таким чином, комплексне  використання когенерації для  енергопостачання  компресорних станцій  та «Теплокомуненерго» дозволить значно підвищити  ефективність використання природного газу.

 Література

  1. Кому выгодна модернизация украинской гтс Інтернет джерело

 http://www.gasua.com/ru/media/2163.html

  1. Питання реконструкції компресорних станцій газотранспортної системи України. Інтернет джерело http://journal.mikem.com.ua/sites/default/files/articles_pdf/18%282%29.pdf
  2. Н.А. Дикий. Парогазовая технология производства электрической и тепловой энергии. «Екологічні системи» №4, 2003 http://journal.esco.co.ua/2003_4/art23.htm
  3. Л.Козак Пропозиції до енергетичної стратегії України/Енергоінформ №24(104) 2001

http://necin.com.ua/energetika-ukrayini/20-propozicyi-do-energetichnoyi-strategyi-ukrayini.html

  1. Козак Л.Ю. Енергозаощадження в нафтогазовидобувній галузі. -Ів.-Фр.: Факел, 2008
  2. Козак Л.Ю. Зниження обсягів споживання природного газу за рахунок когенерації. Нафтогазова енергетика. №1(27), 2017

http://nge.nung.edu.ua/sites/default/files/journals/027/15.pdf

Автор: Козак Любомир Юрійович

к.т.н., доцент  Івано–Франківського національного технічниного університету нафти і газу