image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 7-8 2017

Энергетика

01.7-8.2017 10:00 Моделирование газодинамических процессов, связанных с утилизацией энергии природного газа на малых пунктах редуцирования единой системы газоснабжения при помощи регулируемого детандер-генератора объемного типа
Энергия сжатого природного газа, теряемая во время понижения давления в пунктах редуцирования перед потребителями, может быть утилизирована при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) различных типов. Особенностью Единой системы газоснабжения является ее большая разветвленность и наличие огромного числа малых пунктов редуцирования, которые характеризуются небольшими габаритами и высокой неравномерностью отбора газ. В таких условиях подход, направленный на максимизацию количества утилизированной энергии при помощи турбодетандеров, может быть не совсем удачным. Для применения на малых пунктах редуцирования предлагается использовать объемный тип расширительных машин как один из наиболее дешевых, неприхотливых и негабаритных, например пластинчатые пневмодвигатели. Они имеют высокие соотношение «мощность – вес» и степень расширения газа, обладают возможностью безмасляной работы и при этом мощностями (до 10 кВт), достаточными для существенного повышения энергоавтономности и полного или частичного обеспечения электроэнергией систем телеметрии, телемеханики, электрохимической защиты. Это особенно актуально для объектов, находящихся на значительном удалении от централизованных источников электроэнергии, а также в случаях, когда стоимость технологического присоединения велика либо подключение невозможно. Кроме того, в связи с неравномерностью отбора газа потребителями для поддержания заданной частоты вращения вала детандера необходимо применить систему стабилизации частоты вращения вала ДГА. В статье представлен вариант модифицированной схемы пункта редуцирования со встроенным ДГА объемного типа и системой стабилизации частоты вращения его вала на переменных режимах работы. Составлена математическая модель динамики процессов, связанных с ДГА, позволяющая оценить влияние ДГА на газодинамику пунктов редуцирования. Представлены результаты, подтверждающие возможность утилизации энергии сжатого природного газа в процессе редуцирования даже при высокой неравномерности отбора газа потребителями.
Ключевые слова: детандер-генератор, объемный тип, редуцирование, газораспределительные станции, газорегуляторные пункты, неравномерность отбора газа, система автоматического управления, математическая модель, динамические характеристики, переходный процесс, Wolfram Mathematica.
Ссылка для цитирования: Белоусов А.Е., Кабанов О.В., Самигуллин Г.Х. Моделирование газодинамических процессов, связанных с утилизацией энергии природного газа на малых пунктах редуцирования единой системы газоснабжения при помощи регулируемого детандер-генератора объемного типа // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. С. 128–134.
Открыть PDF


Энергия сжатого природного газа, теряемая во время понижения давления в пунктах редуцирования перед потребителями, может быть утилизирована при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) [1–4].

Особенностью Единой системы газоснабжения является ее большая разветвленность и наличие огромного числа малых пунктов редуцирования, таких как мини-газораспределительные станции (ГРС) и газораспределительные пункты (ГРП), которые характеризуются небольшими габаритами и высокой неравномерностью отбора газа (рис. 1–3). В таких условиях подход, направленный на максимизацию количества утилизированной энергии при помощи турбодетандеров [5], может быть не вполне оправданным.

1.png

1_1.png

Для применения на малых пунктах редуцирования предлагается использовать объемный тип расширительных машин, например пластинчатые пневмодвигатели – как один из наиболее дешевых, неприхотливых и негабаритных типов оборудования [1]. Они имеют высокие соотношение «мощность – вес» и степень расширения газа, обладают возможностью безмасляной работы и при этом мощностями (0,2–10 кВт), достаточными для существенного повышения энергоавтономности и полного или частичного обеспечения электроэнергией систем телеметрии, телемеханики, электрохимической защиты. Это особенно актуально для объектов, значительно удаленных от централизованных источников электроэнергии, а также в случаях, когда стоимость технологического присоединения велика либо подключение невозможно в принципе [4, 6]. Помимо этого в связи с неравномерностью отбора газа потребителями для поддержания заданной частоты вращения вала детандера необходимо применить систему стабилизации частоты вращения вала ДГА.

Особенности системы регулирования

Существуют различные автоматические системы регулирования ДГА [9, 10], в основе которых так или иначе лежат принципы разделения и переключения потоков. Однако зачастую такие системы имеют чрезмерную степень сложности и значительные габариты, определяемые применением турбинных расширительных машин и высокими расходами газа.

1_1_1.png

1_1_2.png

Для утилизации энергии на малых пунктах редуцирования и стабилизации скорости вращения ДГА объемного типа предлагается модифицировать принципиальную схему пункта редуцирования (рис. 4).

Такая схема также имеет принцип разделения потока, которое происходит непосредственно между предохранительным запорным клапаном 3 (ПЗК) и регулятором давления (РД) 8 в зависимости от степени открытия регулирующего клапана 6. Часть газа проходит через объемную расширительную машину 4, где, теряя энергию, совершает работу, а другая – через параллельную линию. Оба потока встречаются в ресивере 7, служащем для гашения скачков давления и предотвращения чрезмерной «раскачки» РД системой стабилизации. Управляющий сигнал для привода регулирующего клапана вырабатывается ПИ-регулятором 12 в зависимости от результата сравнения мгновенной частоты вращения вала пневмодвигателя с определенной уставкой.

Результатом использования такой системы является возможность работы детандер-генераторной установки с относительно малыми давлениями и расходами, независимо от неравномерности отбора газа потребителями и изменения момента нагрузки, а также сокращение количества энергии, теряемой на РД. При этом такая система является наиболее простой, обладает сравнительно малыми габаритами и стоимостью.

Стоит отметить, что при использовании в системах пунктов редуцирования такого устройства необходимо заново осуществить подбор РД, так как его входное давление уменьшится вследствие расширения газа на пневмодвигателе и регулирующем клапане.

 

Математическое моделирование

В статье [1] были проведены подробные статический и динамический расчеты детандера объемного типа на примере пластинчатого двигателя с созданием оригинальной математической модели.

Однако для получения математической модели ДГА, представленного на рис. 4, необходимо учесть влияние на работу детандера перепуска части потока через регулирующий клапан, изменение давления в ресивере и неравномерность отбора газа потребителями –
а значит, следует описать систему регулирования, ресивер, действие потребителя и соединяющие трубки.

Ввиду малой протяженности последних и их низкой инерционности ими пренебрегаем. Питание всей системы газом происходит из магистрали с постоянным давлением в неограниченном объеме. Открытие регулирующего клапана полностью соответствует сигналу ПИ-регулятора и не имеет задержки.

В таком случае необходимо решить только одно дополнительное дифференциальное уравнение (ДУ) для ресивера, которое будет описывать связь двух ранее разделенных потоков с расходом потребителя.

Для начала составим уравнение мгновенного изменения массы газа в ресивере:

1_1_3.png 

Массу газа в ресивере можно расписать как:

1_1_4.png,

 

где – плотность газа, кг/м3; Vрв – объем ресивера, м3; pр – давление газа в ресивере, Па; R – газовая постоянная, Дж/(кг.К).

Тогда уравнение изменения массы переписывается в уравнение изменения давления:

1_1_5.png  

Массовый расход газа на выходе из детандера, уточненный для возможности рассмотрения случая роста давления в ресивере выше давления выхлопной камеры, а значит, ее наполнения, описывается системой:

1_1_6.png,

 

где fв – площадь выхлопного отверстия пневмодвигателя, м2; pв – давление в выхлопной камере пневмодвигателя, Па; Tв – температура в выхлопной камере, К; ξв – местное сопротивление выхлопного отверстия, б/р.

Массовый расход регулирующего клапана при докритическом и критическом истечениях, соответственно, рассчитывается как:

1_1_7.png

 

где βдр – коэффициент истечения, б/р; fдр – площадь полностью открытого сечения регулирующего клапана, м2; pм – давление газа в магистрали, Па; Tр – температура газа в ресивере, К.

Массовый расход потребителя при докритическом и критическом истечении из ресивера можно представить следующим образом:

1_1_8.png

 

где fр – площадь сечения выходного отверстия ресивера, м2; pпотр – давление газа за ресивером, Па; Tпотр – температура газа за ресивером, К.

Неравномерность отбора можно задать при помощи изменения расхода газа потребителями из ресивера (коэффициент s). Например, при сокращении отбора газа давления в ресивере, а значит, и после пневмодвигателя, растут, что оказывает сопротивление его вращению, вплоть до варианта полного торможения двигателя противодавлением.

Теперь рассмотрим реализацию процесса регулирования. Для моделирования воспользуемся пропорционально-интегральным (ПИ) законом регулирования. Общий вид выходного сигнала ПИ-регулятора для управления расходом газа через регулирующий клапан:

 1_1_9.png

где P(t) и I(t) – пропорциональное и интегральное звенья; ω0 и ω(t) – уставка по частоте вращения и мгновенная частота вращения расширительной машины, соответственно, рад/с; Kp и Ki – коэффициенты усиления пропорциональной и интегральной составляющих, соответственно.

Для успешной реализации в представленной модели интегральная составляющая регулирования должна быть заменена на дополнительное дифференциальное уравнение, производную 1_1_10.png, использование которой эквивалентно интегралу.

Таким образом, с учетом изменений система уравнений для моделирования, представленная в [1], будет выглядеть следующим образом:

1_1_11.png 

 

В качестве исходных данных для расчета были приняты характеристики реального серийного оборудования, которое используется для создания прототипа. Для удобства работы и изучения прототипа была выбрана наименьшая расширительная машина в 200 Вт, так как при сохранении общих характерных черт и особенностей ее создание и эксплуатация требуют меньших ресурсов.

1_1_12.png

Исходные данные (рис. 5): радиус ротора пневмодвигателя r = 0,02 м; 6 лопаток длиной l = 0,05 м, высотой h = 0,0131 м и толщиной b = 0,005 м; эксцентриситет e = 0,00328 м; угол между соседними лопатками γ = 60°; габариты расширительной машины 82 x 63 x 63 мм, абсолютное давление газа в магистрали pм = 0,7 МПа; абсолютное давление газа после ресивера pпотр = 0,2 МПа; момент нагрузки на валу пневмодвигателя Mc = 0,5 Н.м; ресивер объемом Vрв = 0,0056 м3 и отверстиями с площадью проходного сечения fр = 0,0004 м2; максимальная площадь сечения регулирующего дросселя fдр = 0,0003 м2. Уставка частоты вращения ω0 = 125 об/с из расчета дальнейшего использования с передаточным числом редуктора w = 2,5. В остальном параметры идентичны принятым в работе [1]. В качестве параметров, равных единице (рис. 6–7), были приняты: уставка частоты вращения, установившееся абсолютное давление в ресивере до возмущения pр = 277800 Па и сигнал 100%-го открытия регулирующего клапана. Расчет производился в программе Wolfram Mathematica 10.4.

1_1_13.png

После разгона ДГА при постоянном открытии регулирующего клапана на 35,5 % (рис. 6), в момент времени
t = 6 с была активирована система стабилизации частоты вращения и создано возмущение в виде сокращения расхода потребителя со 100 до 18 % от проектного. Это значение показательно, так как является наихудшим значением расчетного часового расхода, вычисленным по наименьшим коэффициентам неравномерности, представленным в примерах на рис. 1–3.

Расчетный часовой расход газа потребителями [7]: 

Qр = kм*kс*kч*Qч

где kм, kс, kч – коэффициенты неравномерности газопотребления по месяцам, суткам и часам, соответственно; Qч – проектный часовой расход, м3/ч.

Исходя из полученных графиков, можно сказать, что введение в систему двух новых частей (регулирующего клапана и ресивера) не изменило общего характера поведения основных переменных, полученных в [1].

До выхода двигателя на режим постоянной скорости процесс повышения давления в ресивере плавный, апериодический, а после сокращения отбора газа потребителями и гашения возмущения системой регулирования процесс колебательный, затухающий. Тем не менее важно отметить риск возникновения автоколебаний из-за связи системы стабилизации и регулятора давления, которую необходимо дополнительно изучить в дальнейшем.

По графикам (рис. 7) видно, что система стабилизации хорошо выполняет свои функции: частота вращения ДГА поддерживается в коридоре 2∆ = 4 % от значения уставки даже в первоначальный момент возмущения, а колебания давления в ресивере, т. е. до РД, не превышают допустимых пределов ±25 % и входят в коридор 2∆ = 4 % через 1,14 с после начала возмущения. Однако стоит отметить, что столь качественное регулирование на практике не представляется возможным из-за различных задержек, более длительных периодов дискретизации, нелинейности работы регулирующего клапана, инерционности и более упрощенных алгоритмов регулирования, а также из-за принятых в данной работе допущений. Поэтому наиболее точное описание процесса регулирования представленной системы возможно лишь после проведения реальных экспериментов.

Заключение

Обоснована возможность утилизации энергии сжатого природного газа на малых пунктах редуцирования при помощи регулируемого детандер-генераторного агрегата объемного типа. Предложенная модификация принципиальной схемы ГРП/ГРУ позволяет использовать ДГА в качестве основного средства понижения давления природного газа, а также обеспечить достаточно высокую бесперебойность работы при небольших габаритах и стоимости агрегата.

Представленная математическая модель подтверждает возможность успешной работы такого ДГА даже на переменных режимах, вызванных неравномерностью отбора газа потребителями, а также позволяет оценивать влияние самого ДГА на газодинамику пунктов редуцирования.

Однако для верификации полученной модели, создания точной модели ПИ-регулирования, определения границ применимости такого ДГА и дальнейшего изучения газодинамики необходимы дополнительные исследования прототипа.



← Назад к списку


im - научные статьи.