IMPROVING THE PROFITABILITY OF NATURAL GAS TRANSPORT USING A SUPERCRITICAL CO2 BRAYTON CYCLE

IMPROVING THE PROFITABILITY OF NATURAL GAS TRANSPORT USING A SUPERCRITICAL CO₂ BRAYTON CYCLE

Vladislav Naletov

phD (Candidate of technical Sciences), associate professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Mikhail Glebov

phD (Doctor of technical Sciences), professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Alexei Naletov

phD (Doctor of technical Sciences), professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Tatyana Potemkina

Masters student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

ПОВЫШЕНИЕ РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ УСТАНОВКИ С ЦИКЛОМ БРАЙТОНА НА СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ СО₂

Налетов Владислав Алексеевич

канд. техн. наук, Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Глебов Михаил Борисович

проф., д-р техн. наук, Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Налетов Алексей Юрьевич

проф., д-р техн. наук, Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Потемкина Татьяна Алексеевна

магистрант, Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Одними из основных технологических звеньев в газотранспортной системе (ГТС) являются линейные компрессорные станции, обеспечивающие транспортировку природного газа от мест его добычи до потребителей. На линейных компрессорных станциях перекачку природного газа непосредственно осуществляют центробежные нагнетатели (ЦН), входящие в состав газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Наибольшее распространение в России получили ГПА турбинного типа. Как правило на компрессорной станции в работе находится 4 ГПА из 5 (один в резерве).

Целью работы является оценка возможности повышения рентабельности ГТС на основе цикла Брайтона, совмещающего две функции: выработку электрической мощности и охлаждение транспортируемого газа в рамках одной установки.

Анализ возможных энергосберегающих и природоохранных технических решений исследователи связывают, в том числе с использованием цикла Брайтона. В работах [1–3] рассматривается цикл Брайтона на сверхкритических параметрах диоксида углерода. Доказано, что эффективность сверхкритического цикла Брайтона повышается с увеличением потенциала используемой теплоты. В этой связи предлагается использовать цикл Брайтона на сверхкритическом СО₂ как альтернативу циклу Ренкина на сверхкритических параметрах водяного пара.

Отмечается, что цикл Брайтона на сверхкритическом СО₂ обладает рядом преимуществ перед циклом Ренкина: отсутствием фазовых переходов рабочего тела, а, следовательно, и соответствующего оборудования, отвечающего за испарение и конденсацию рабочих тел, что позволит исключить потери эксергии в этих элементах при оценке показателей эффективности системы.

Однако при использовании цикла Брайтона, работающего в области сверхкритических параметров СО₂, например, в случае рекуперации остаточной теплоты дымовых газов после силовой турбины ГПА, возможно выработать только дополнительную электрическую мощность.

При этом параметры работы цикла Брайтона исключают возможность дополнительного или альтернативного охлаждения транспортируемого природного газа, в силу чего невозможно повысить пропускную способность магистрального газопровода  без модификации цикла Брайтона.

Для того, чтобы создать мультифункциональный энергоблок на основе цикла Брайтона необходимо совместить две функции: теплового двигателя и холодильной установки. При этом рабочим агентом остается диоксид углерода, а термодинамический цикл будет совмещать работу оборудования как на сверх- так и докритических параметрах рабочего тела.

Интеграция элементов в мультифункциональном энергоблоке осуществлялась на основе методологии оптимальной организации систем [4,5].

Мультифункциональный энергоблок должен обеспечить решение следующих задач:

– энергосбережение за счет утилизации теплоты технологических потоков и выработки электроэнергии, в том числе за счет снижения мощности центробежного нагнетателя ГПА при понижении температуры транспортируемого газа на его входе;

– увеличение объема транспортируемого природного газа за счет снижения его температуры перед центробежным нагнетателем, что позволит также отказаться от использования для охлаждения газа АВО;

– охрана окружающей среды, за счет использования уловленного диоксида углерода в цикле Брайтона, то есть условно за счет «захоронения» СО₂ в замкнутом контуре, что позволяет отнести реализацию данного предложения к проектам CCS (Carbon Capture and Storage) с привлечением углеродного инвестора.

При этом охлаждение природного газа перед центробежным нагнетателем, которое должно сопровождаться снижением его мощности,  не должно привести к гидратообразованию, вследствие чего было принято решение об ограничении температуры природного газа на входе в ЦН на уровне не ниже минус 3^оС. Проверка возможности реализации охлаждения природного газа до принятого значения температуры проводилась в ходе вычислительных экспериментов в программной среде CHEMCAD на расчетной схеме, представленной на рис. 1.

Обозначение аппаратов: 1, 3, 5,11 – теплообменники; 2 – турбина; 9 – компрессор, 12 – насос.

Рисунок 1. Представление расчетной схемы в программной среде CHEMCAD

Отличительной особенностью расчетной схемы является включение в  цикл Брайтона теплообменника 3 после турбины, который обеспечивает охлаждение транспортируемого природного газа перед ЦН до заданной температуры (- 3^оС).

Давление в турбине 2 снижается с 20 МПа до 2,5 МПа, в результате чего выходной поток охлаждается до температуры -11^оС. Тепловая нагрузка на теплообменник 3, которая необходима чтобы охладить природный газ с температуры 15°С (исходная температура перед ЦН) до -3°С, равна 12,8244 МДж/с.

Для необходимости обеспечения баланса как теплоты, так и холода в мультифункциональном энергоблоке было принято решение об использовании дополнительно количества природного газа (до 10% от исходного расхода) для подогрева диоксида углерода до сверхкритических параметров. Баланс мощности ГПА с мультифункциональным энергоблоком на основе цикла Брайтона представлен в табл. 1.

Таблица 1.

Баланс мощности ГПА с циклом Брайтона, МВт

Примечание: Отрицательные цифры означают выработку электроэнергии, положительные – энергозатраты; КНД и КВД – соответственно компрессора низкого и высокого давления; ТВД и СТ – соответственно турбина высокого давления и силовая турбина.

Как показали расчеты по методике, представленной в работе [6], увеличение пропускной способности магистрального газопровода при использовании оборудования предлагаемого мультифункционального энергоблока на основе цикла Брайтона составит 2%.

При этом дополнительно выработанная мощность мультифункциональной системы оценивается в размере 3985 кВт.

Список литературы:

1. Jae-Eun Сна, Тае-Но Lee, Jae-Нyuк Еоh еt al. Development of a Supercritical CO2 Bryton Energy Conversion System Coupled with a Sodium Cooled Fast Reactor // Nuclear Engineering and Тechnology. October, 2009. Vol. 41, № 8. Р. 1025-1040.
2. Kimzey G. Development of a Brayton Bottoming Cycle using Supercritical Carbon Dioxide as the Working Fluid, Gas Turbine Industrial Fellowship, University Turbine Systems Research Program, 2012.
3. Allam, R. et al. Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture. Energy Procedia, 2017, no. 114, pр. 5948–5966.
4.  Naletov V.A., Gordeev L.S., Glebov M.B., Naletov A.Yu. Information-Thermodynamic Principle of the Organization of Chemical Engineering Systems // Theor. Found. Chem. Eng. 2011. V.45. № 5, P. 631–639. DOI: 10.1134/S0040579511050289.
5. Naletov V.A., Kolesnikov V.A., Glebov M.B., Naletov A.Y., Glebov V.B. Technology for processing natural energy resources based on the concept of optimal chemical engineering system organization // Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2017. V. 51. No. 2, pp. 142-150.
6. Определение пропускной способности, расчет свободных мощностей газопроводов // СТО ГАЗПРОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ 12.2.2–1–2013. – 2013. – 82 с.