Одним из направлений энергосбережения является использование вторичных энергоресурсов, в частности в газовой‚ нефтяной и других отраслях промышленности а также в энергетике.

В системах добычи‚ транспорта‚ распределения и переработки природного газа снижение его давления до необходимых величин в настоящее время в основном производится путем дросселирования посредством клапанных регуляторов давления прямого действия. При этом рассеивается значительное количество энергии давления природного газа‚ начиная с пластового в процессе его добычи, и далее энергии‚ затраченной на сжатие газа в процессе его транспортировки. Теоретические ресурсы этой энергии в целом по Украине составляют около 5,0 млрд. кВтч ежегодно. Технически доступные ресурсы эквивалентны годовому производству электроэнергии в объеме свыше 2,3 млрд. кВтч.

Идея использования (утилизации) энергии давления газа не отличается новизной. Альтернативой клапанным дросселирующим системам снижения давления газа ныне являются утилизирующие системы, базирующиеся на турбодетандерных электрогенераторных установках и агрегатах (ТДУ и ТДА)‚ обеспечивающих одновременно с основной функцией — снижение и регулирование давления газа при его адиабатном расширении в турбине, получение механической работы на валу турбины с преобразованием ее в электроэнергию или использованием для привода компрессоров и других механизмов а также низкого холода‚ который находит применение в системах охлаждения транспортируемого газа для повышения пропускной способности газопроводов и в системах криогенного разделения продуктов природного газа.

Однако широкомасштабного внедрения ТДА и ТДУ в системах газорегулирования и распределения с практически полным вытеснением дросселирующих систем‚ как это можно было бы ожидать‚ пока что не происходит. Особое отставание в этом направлении прослеживается в газовых промышленностях стран СНГ. И это при том‚ что газовая система в целом по этим странам насчитывает только одних ГРС более 3500 шт.‚ характеризующихся большим разнообразием расходов и перепадов давления газа‚ потери энергии на которых оцениваются в 10 млрд. кВтч в год. В Украине эксплуатируется около 1100 ГРС, из которых на незначительном количестве возможно использование серийных установок мощностью свыше 500 кВт, для многих ГРС требуются ТДА малой и средней мощности (50 … 500 кВт).

В настоящее время разработкой и производством ТДА и ТДУ в широком диапазоне мощностей от нескольких десятков кВт до нескольких МВт занимается достаточно много предприятий в разных странах. В Украине эти работы в частности ведут ОАО «Турбогаз» (г. Харьков), АО «Мотор Сич» (г. Запорожье), завод «Энергия» (г. Кривой Рог). При этом для турбодетандеров используются классические лопаточные турбины, в том числе авиационного типа, что определяет их достаточно высокие стоимостные показатели. Особенно возрастают эти показатели в случае изготовления агрегатов небольшой мощности (50 … 500 кВт). Это на сегодня является одним из факторов, сдерживающих развитие этого направления.

Высокая стоимость ТДА на основе классических лопаточных турбин и сравнительная сложность их эксплуатации и ремонта связаны именно с турбиной‚ высокая себестоимость производства которой определяется конструктивной и технологической сложностью лопаточных аппаратов и‚ следовательно‚ требованиями высокого уровня технологии изготовления. Сложная и дорогая турбина требует соответствующих сложных вспомогательных систем‚ обеспечивающих ее надежную работу и требуемый ресурс, — принудительная система смазки опор ротора и передаточных муфт, система концевых уплотнений вала ротора, система автоматического управления и регулирования, система контроля и аварийных защит и система подготовки газа перед турбиной (очистка‚ осушка‚ подогрев)‚ так как лопаточные аппараты и уплотнения турбины подвержены загрязнению‚ эрозионному износу‚ появлению влаги и обледенению.

Немаловажным является и то обстоятельство‚ что дросселирующие системы представляют собой сравнительно простые технологические объекты‚ полностью автоматизированные, причем, с простой системой регулирования давления — после себя (клапаны — регуляторы прямого действия)‚ требующие простого и минимального обслуживания персоналом сравнительно невысокой квалификации. В противовес этому, турбодетандерные утилизирующие системы на базе классических лопаточных турбин (осевых‚ центростремительных и часто многоступенчатых) превращают ГРС‚ ГРП и подобные объекты в сложное энергетическое хозяйство с постоянным квалифицированным обслуживающим персоналом. Для газовой промышленности Украины это тоже является сдерживающим фактором‚ особенно в настоящий период.

Следовательно, широкомасштабное внедрение турбодетандерных утилизационных систем на средних и малых ГРС‚ ГРП и подобных объектах представляется возможным только на основе решений‚ обеспечивающих быструю и дешевую реконструкцию существующих дросселирующих систем. Эту задачу можно решить путем применения ТДА малой и средней единичной мощности (50…500 кВт)‚ простых и компактных по конструкции‚ обеспечивающих возможность их установки непосредственно взамен клапанов-регуляторов прямого действия или параллельно с ними. Из таких простых ТДА‚ освоение которых возможно несложным производством‚ можно будет гибко набирать также ГРС‚ ГРП и КС значительной мощности.

С целью реализации такого подхода к созданию турбодетандерных агрегатов было внесено предложение об использовании в них турбин новой конструкции – безлопаточных струйно-реактивных турбин (СРТ). Разработка таких турбин была выполнена коллективом специалистов машиностроительных предприятий г. Сумы и Сумского государственного университета. Основанием для разработки и изготовления опытного образца такого турбодетандерного агрегата являлись договор на создание и передачу научно-технической продукции с Государственным Комитетом Украины по энергосбережению и исходные требования ОАО «ИПП «ВНИПИтрансгаз». Агрегат ТДА-СРТ-100 мощностью 100 кВт был разработан, изготовлен и прошел соответствующие испытания. Он принят в качестве базового для типоразмерного ряда ТДА-СРТ мощностью 50 … 500 кВт.

СРТ предельно проста по конструкции, ее стоимость примерно на порядок меньше стоимости классических лопаточных турбин. Опыт создания СРТ для приводов шаровых кранов‚ их испытаний на натурных стендах и эксплуатации в условиях севера показал высокую надежность их работы на неподготовленном природном газе‚ в том числе в экстремальных условиях при работе на загрязненном‚ влажном газе при температуре до -60°С‚ а их характеристики по КПД близки к характеристикам лопаточных турбин с полным впуском (ниже на 10…25%)‚ что компенсируется простотой и значительно меньшим сроком окупаемости. К тому же следует учитывать то обстоятельство‚ что лопаточные турбины малой мощности при давлении на входе ГРС 2…7 МПа необходимо выполнять с парциальным впуском, что приводит к снижению их КПД и здесь СРТ могут уверенно с ними конкурировать. Кроме того, регулирование режима лопаточных турбин с полным впуском обеспечивается обычно частичным дросселированием газа перед турбиной с помощью регулирующего клапана или байпасированием части расхода газа мимо турбины‚ то есть не используется иногда значительная доля располагаемой энергии газа. Использование же регулируемых направляющих аппаратов еще более усложняет турбину и повышает ее стоимость. В противовес этому СРТ имеют одиночное регулируемое подводящее сопло с помощью которого просто реализуется эффективное регулирование без дросселирования посредством систем как прямого‚ так и не прямого действия. Поэтому сравнение по КПД необходимо вести не по КПД турбины‚ а по эффективному эксплутационному КПД установки в целом. Более того‚ имеются реальные возможности поднять характеристики СРТ вплотную до уровня лопаточных турбин, над чем продолжается работа специалистов.

Уместно будет еще раз на системной основе подчеркнуть преимущества СРТ при их применении в газовых турбодетандерах и других агрегатах по сравнению с классическими лопаточными турбинами. Основные из них следующие.

1. Простота конструкции‚ обеспечивающая возможность быстрого освоения ее производства и значительно более низкую себестоимость ее изготовления.
2. Высокий уровень унификации. На базе одного ротора могут выполняться СРТ нескольких типоразмеров по мощности. Заменяются только сопла и диффузор. Возможно также использование одного ротора для всего диапазона мощностей от 50 до 500 кВт.
3. Высокая надежность работы. СРТ могут работать на загрязненном‚ влажном газе при температуре до -60°С. Это обусловлено отсутствием лопаточных аппаратов и малозазорных уплотнений‚ чувствительных к эрозионному износу и обледенению. Исключена необходимость в системе предварительного подогрева газа, его очистки и осушки.
4. Стабильность выходных характеристик. Они остаются неизменными в широком диапазоне изменений давления‚ температуры и нагрузок. Производственно-технологические отклонения при изготовлении турбины оказывают на них слабое влияние. По величине КПД в рассматриваемом диапазоне мощностей до 500 кВт СРТ не уступает лопаточным турбинам с парциальным впуском.
5. Малая масса и момент инерции ротора. Это обуславливает:
   • хорошие динамические характеристики и‚ следовательно‚ эффективную работу в режиме регулирования;
   • устойчивую и надежную работу в части динамики на больших частотах вращения;
   • малые нагрузки на опоры вала ротора при сниженных требованиях статической и динамической балансировки ротора.
6. Оригинальность конструкции ТДА. Малая масса ротора СРТ обеспечивает возможность её консольной установки в обычных шариковых подшипниках. Корпус турбодетандера находится под низким выходным давлением газа, под высоким давлением находится только внутренняя проточная часть самой СРТ.
7. Низкие массо-габаритные показатели ТДА-СРТ. По сравнению с аналогичными ТДА с лопаточными турбинами масса ТДА-СРТ в 3 и более раз меньше. Например, масса ТДА УКС2-300 (ОАО «Турбогаз», Харьков) мощностью 300 кВт составляет 16 т, а суммарная масса трёх агрегатов ТДА-СРТ-100 (по 100 кВт каждый) составляет около 5 т.
8. Простота эксплуатации ТДА и низкие эксплуатационные затраты. Эти показатели являются одними из слагаемых высоких технико-экономических показателей их применения.

Таким образом, создание простых‚ дешевых‚ надежных и удобных в эксплуатации турбоагрегатов малой и средней мощности (50…500 кВт) нового типа на основе безлопаточных струйно-реактивных турбин (СРТ) открывает новые возможности внедрения энергоутилизационных систем.

В частности, применение СРТ в паровых турбогенераторных агрегатах для утилизации энергии пара промышленных и бытовых котельных установок взамен применения редукционно-охладительных устройств может обеспечить выработку электроэнергии в целом по Украине в количестве около 8 млрд. кВтч в год.

Более подробная техническая информация по агрегатам на базе СРТ представлена в разделе «Продукция» нашего сайта.