Procesy cieplne w stacji przetłocznej zwiększające efektywność transportu gazu

Maciej Chaczykowski

Zeszyt 60

Słowa kluczowe: efektywność energetyczna, analiza egzergetyczna, system przesyłowy gazu, przetłocznia gazu, chłodzenie gazu, organiczny obieg Rankine’a (ORC).
STRESZCZENIE
Praca stanowi próbę scharakteryzowania procesów cieplnych zwiększających efektywność transportu gazu ziemnego rurociągami. Analizowane procesy cieplne obejmują chłodzenie gazu na wyjściu stacji przetłocznej oraz skojarzone wytwarzanie pracy napędowej sprężarek gazu i energii elektrycznej w układzie gazowo-parowym w stacji przetłocznej. Uwagę skupiono na ocenie wpływu ww. procesów na efektywność energetyczną całego procesu transportu gazu.
Rozważania szczegółowe na temat chłodzenia gazu poprzedzono analizą termodynamiczną systemu przesyłowego. Na analizę termodynamiczną składa się sformułowanie uproszczonych modeli matematycznych sprężarki gazu i jej napędu, chłodnicy gazu oraz gazociągu. Podjęto również próbę sklasyfikowania procesów nieodwracalnych towarzyszących przesyłowi gazu w oparciu o analizę bilansu egzergii, kładąc nacisk na przypisanie źródeł strat egzergii poszczególnym elementom systemu. Z punktu widzenia efektywności energetycznej przyjęcie takiej metodyki umożliwiło jednolite spojrzenie na wszystkie elementy w systemie przesyłowym. Dostępna literatura z zakresu stacji przetłocznych wskazuje turbosprężarki jako aktualnie preferowaną technologię sprężania gazu, dlatego w pracy rozwijano analizę efektywności przesyłu gazu przy założeniu, że stosowane są tego typu maszyny. W pracy przeprowadzono ocenę ilościową przyczyn niedoskonałości termodynamicznej i na przykładzie typowego systemu przesyłowego pokazano wzajemne relacje nieodwracalności procesów cieplno-przepływowych w turbinie, sprężarce, chłodnicy i gazociągu.
W analizie wpływu chłodzenia gazu rozważano tylko model chłodnicy powietrznej. Powodem była powszechność stosowania tego typu chłodnic w systemach przesyłu gazu. Model chłodnicy pozwolił na określenie wydajności chłodniczej oraz energii napędowej wymaganej do oceny wpływu chłodzenia gazu na efektywność energetyczną jego przesyłu. Wpływ mocy chłodnic na sprawność egzergetyczną systemu przesyłu gazu zilustrowano na przykładzie polskiego odcinka gazociągu Jamał-Europa.
W zakresie analizy skojarzonego wytwarzania pracy napędowej sprężarek i energii elektrycznej, z wykorzystaniem entalpii spalin z turbiny gazowej, przeprowadzono analizę termodynamiczną siłowni parowej, realizującej obieg Rankine’a z organicznym czynnikiem roboczym (ORC). Powodem były pewne zalety predestynujące silnik cieplny realizujący ten obieg do zastosowań w stacjach przetłocznych, o czym świadczy względna dostępność w literaturze przedmiotu przykładów zastosowania tej technologii. W pracy podjęto dyskusję nad otrzymanymi wcześniej wynikami i uzupełniono je o rozważania autorskie, obejmujące analizę różnych konfiguracji obiegu oraz czynników roboczych. Formułując model matematyczny siłowni ORC, zamierzeniem autora było prowadzenie rozważań na możliwie wysokim stopniu ogólności, tak aby pokazać potencjalne możliwości produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem entalpii spalin z turbiny gazowej, nie przesłaniając ich szczegółowymi rozwiązaniami elementów instalacji. Rozważania ogólne zostały następnie zilustrowane przykładem z wykorzystaniem danych dla zespołu turbokompresora w stacji przetłocznej zlokalizowanej na omawianym w pierwszej części pracy gazociągu Jamał-Europa.