Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт, использующих энергию сжатого природного газа газотранспортной системы России

Номер контракта: 14.578.21.0127

Руководитель: Федоров Михаил Петрович

Должность руководителя: Ректор

Докладчик: Рассохин Виктор Александрович, Зав. Кафедрой

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
турбогенераторные установки, автономное электроснабжение, энергоэффективность, энергия сжатого газа, газораспределительные станции, газораспределительные пункты, газотранспортная система

Цель проекта:
Целью работы является разработка и создание нового класса турбогенераторов (ТГ), использующих энергию сжатого природного газа для выработки электрической энергии для газотранспортной системы (ГТС) России. Экономичность, массогабаритные характеристики и надёжность турбогенераторов (ТГ) должны превышать лучшие аналоги зарубежной и отечественной техники. Задачи исследования. выполнение анализа необходимой электрической энергии на собственные нужды для основных составляющих газотранспортной системы России (вдольтрассовые линейные потребители магистральных газопроводов (ЛВПМГ), компрессорные станции (КС), газораспределительные станции (ГПС), газораспределительные пункты (ГРП) и щиты (ГРЩ), внешние потребители (ВП)).определение возможностей выработки электрической энергии основными составляющими (ЛВПМГ, КС, ГПС, ГРП и ГРЩ) газотранспортной системы России для собственных нужд; обзор и анализ отечественных и зарубежных автономных источников, используемых для обеспечения электрической энергией газотранспортной системы России, оценка их преимуществ и недостатков, выбор и обоснование наиболее перспективных и, в полной мере, удовлетворяющих сформулированным требованиям; выбор режимных параметров и геометрических характеристик турбогенераторов для основных составляющих (ЛВПМГ, КС, ГПС, ГРП и ГРЩ) газотранспортной системы России; разработка и выбор мощностного ряда нового класса турбогенераторов; разработка методического обеспечения (математических моделей и алгоритмов расчёта) для вариантных и оптимизационных расчётов расширительных турбин турбогенераторов и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощности 1 и 30 кВт; проведение вариантных и оптимизационных расчётов характеристик натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; построение схем проточных частей и разработка конструкторской документации, включая 3D модели, натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; разработка и создание экспериментально-исследовательской базы, включающей изготовление натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт, разработка КД на модернизацию двух экспериментальных стендов для испытаний на воздухе,  закупка оборудования для модернизации двух стендов, выполнение работы по модернизации двух стендов;  разработка программы и методик испытаний натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; проведение экспериментальных испытаний натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; обработка и анализ результатов испытаний экспериментальных образцов натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; корректировка математической модели натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт; разработка конструкций, создание и доводка опытных образцов унифицированных турбогенераторов.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Краткое описание основных результатов
В работе будут разработаны и созданы два типоразмера автономных турбинных источников электрической энергии (турбогенераторов), использующих энергию сжатого природного газа для газотранспортной системы России.
2.2 Основные характеристики планируемых результатов
Электрическая мощность предложенных турбогенераторов, обеспечивающих нужды линейных магистральных газопроводов, газораспределительных станций, газораспределительных пунктов и щитов лежит в диапазоне от нескольких десятков ватт до 50 кВт.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
В результате выполненных исследований будет создана научно-техническая база, на основе которой будут разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт, обладающие высокой эффективностью, надёжностью и массогабаритными характеристиками, не имеющими аналогов в отечественной и зарубежной технике. Практическая реализация проекта может полностью обеспечить электрической энергией на собственные нужды газотранспортную систему России, включающую в себя развитую сеть магистральных газопроводов, компрессорных станций, газораспределительных станций , газораспределительных пунктов и щитов и другие.
2 Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
Выполненный анализ основных показателей различных автономных источников электрической энергии (АИЭЭ) для газотранспортной системы России (экономичность (КПД), стоимостные показатели (СЭ), показатели приведённого объёма (V/N) и массы (m/N) показал, что наиболее полно сформированным требованиям к автономным источникам электрической энергии для газотранспортной системы России удовлетворяют автономные турбогенераторы (турбодетандерные электрогенераторы), так как они утилизируют собственные энергетические ресурсы газотранспортной системы, просты и надёжны в эксплуатации. На основании анализа потребления электрической энергии на собственные нужды ГТС обоснован выбор режимных параметров турбогенераторов, обеспечивающий необходимый мощностной ряд основных потребителей (линейные вдольтрассовые потребители магистральных газопроводов, газораспределительные станции, газораспределительные пункты и щиты) электрической энергии газотранспортной системы России. Электрическая мощность предложенных турбогенераторов, обеспечивающих собственные нужды линейных магистральных газопроводов, газораспределительных станций, газораспределительных пунктов и щитов лежит в диапазоне от нескольких десятков ватт до 50кВт. В работе обоснованы и реализованы в конкретных конструкциях расширительные малорасходные турбины конструкции ЛПИ, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной технике, специальные подшипники, подшипники с консистентной смазкой и синхронные электрогенераторы на постоянных магнитах с преобразователями. Эти элементы послужат базовыми решениями при практической реализации и создании турбогенераторов для газотранспортной системы России.
3 Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Применение собственных автономных энергоисточников для электроснабжения линейных потребителей основывается на анализе и определённом опыте Газпрома, России и европейских стран. На объектах Газпрома применяются автономные источники импортного и отечественного производства Однако их применение не носит массового характера, они обладают высокой стоимостью и могут попадать под санкции европейских стран и США. Аналогов, использующих решения создаваемого оборудования, пока не существует ни в РФ, ни за рубежом.
4 Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Новые технические решения, применяемые при создании энергоустановок малой мощности, позволяют решить проблему создания автономных энергетических установок и обеспечить их широкое внедрение. Такие решения, в совокупности, не применялись ранее в отечественной энергетике. К таким решениям относится применение высокоэффективных радиально- осевых турбин, малорасходных турбин конструкции ЛПИ, газодинамических подшипников, теплообменников с высокой степенью регенерации (0.9), высокооборотных электрогенераторов и др. . Эти новые технические решения были апробированы при создании образцов специальной техники и энергетического оборудования малой энергетики.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1 Практическая реализация создаваемых турбогенераторов электрической энергии, использующих энергию сжатого природного газа для электрообеспечения собственных нужд газотранспортной системы России, предполагается, в первую очередь, на базе предприятий ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» - одно из крупнейших газотранспортных предприятий России. ООО «Газпром трансаз Санкт-Петербург» - 100-процентная дочерняя организация ОАО «Газпром», эксплуатирует более 10,7 тысяч километров газопроводов, 240 газораспределительных станций и 32 компрессорных цеха, в которых установлены 192 газоперекачивающих агрегата суммарной мощностью 1795 МВт. Потребность в подобных источниках электрической энергии для газотранспортной системы России очень велика. Внедрение разрабатываемых турбогенераторов должно дать большой экономический эффект, а также значительно повысит безопасность за счёт импортозамещения и увеличения надёжности электроснабжения.
2 Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Внедрение разрабатываемых турбогенераторов, использующих энергию сжатого природного газа, для выработки электрической энергии для основных составляющих газотранспортной системы (ГТС) России позволит существенно сократить затраты на внешнее энергоснабжение и стоимость автономного энергетического оборудования за счёт применения отечественных установок, использующих для выработки электроэнергии энергию сжатого природного газа (импортозамещение).
3 Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Создания турбогенераторов (ТГ), использующих энергию сжатого газа, позволяет создавать экологически чистые источники, генерирующие электрическую энергию, без сжигания при этом дополнительного топлива. Внедрение результатов работы позволит решить задачи повышения энергоэффективности работы газотранспортной системы, эффективности использования потенциала органических источников тепловой энергии – природного газа.
Создание турбогенераторов электрической энергии для автономного обеспечения газотранспортной системы, с экономичностью и массогабаритными характеристиками, не имеющими аналогов в зарубежной и отечественной технике, чрезвычайно актуально. Выполненные исследования и разработки являются чрезвычайно актуальными и востребованными, особенно в условиях курса, принятого руководством страны на импортозамещение, поскольку отечественных аналогов практически не существует.
Настоящий проект открывает новое направление в разработке и создании новых, экологически чистых, импортонезависимых, утилизирующих энергозатраты автономных источников "зелёной" электроэнергии.
4 Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Из числа рассмотренных турбогенераторов производства зарубежных фирм, России и стран СНГ полностью ни один агрегат не соответствует рассматриваемой задаче – служить в качестве автономного компактного источника электроснабжения, использующего энергию сжатого природного газа, для собственных нужд газотранспортной системы России. В основном, все они были спроектированы и изготовлены совсем под другую задачу – утилизация максимально возможного количества энергии сжатого газа. При этом они имеют значительные массогабаритные характеристики (за счёт низкой частоты вращения электрогенератора и необходимости применения механического редуктора). Кроме того, они используют масляную систему смазки (высокая пожароопасность) или магнитные подшипники (высокая стоимость). Всё это говорит о перспективах реализации результатов выполненных исследований в международном сотрудничестве, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры. Уже сегодня значительный интерес к рассматриваемой проблеме проявляют специалисты Германии, Казахстана, Узбекистана и других стран.

Текущие результаты проекта:
РПроведенные исследования по выбору мощностного ряда и обоснованию режимных параметров турбогенераторов электрической энергии для собственных нужд, использующих энергию сжатого природного газа, позволили определить диапазоны режимных параметров турбогенераторов для основных составляющих газотранспортной системы России. Выбор обоснованных диапазонов режимных параметров позволяет унифицировать разрабатываемые турбогенераторы:
Турбогенераторы линейных вдольтрассовых потребителей магистральных газопроводов газотранспортной системы России.
Электрическая мощность турбогенератора, кВт - (5.0…20.0)
Давление газа на входе в турбогенератор, МПа - (0.2…5.5)
Температура газа на входе в турбогенератор, К - (не более 338)
Температура газа на выходе из турбогенератора, К - (более или равна 278)
Давление газа на выходе из турбогенератора, МПа - (0.0103…0.015)
Компрессорные станции.
Электрическая мощность турбогенератора, кВт (350.0…600.0)
Давление газа на входе в турбогенератор, МПа - (3.0…5.5)
Температура газа на входе в турбогенератор, К - (не более 338)
Температура газа на выходе из турбогенератора, К - (более или равна 278)
Давление газа на выходе из турбогенератора, МПа - (1.0…3.0)
Газораспределительные станции.
Электрическая мощность турбогенератора, кВт - (2.0…20.0)
Давление газа на входе в турбогенератор, МПа - (1.5…5.5)
Температура газа на входе в турбогенератор, К - (не более378)
Температура газа на выходе из турбогенератора, К - (более или равна 278)
Давление газа на выходе из турбогенератора, МПа - (0.3…1.2)
Газораспределительные пункты и щиты.
Электрическая мощность турбогенератора, кВт - (0.01…1.0)
Давление газа на входе в турбогенератор, МПа - (0.2…0.6)
Температура газа на входе в турбогенератор, К - (не более 378)
Температура газа на выходе из турбогенератора, К - более или равна 278)
Давление газа на выходе из турбогенератора, МПа - (0.15.…0.20)
Обосновано решение о разработке и создании экспериментальных образцов турбогенераторных установок малой электрической мощности 1 и 30 кВт;
Разработано методическое обеспечение (математические модели и алгоритмы расчёта) для вариантных и оптимизационных расчётов расширительных турбин турбогенераторов и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощности 1 и 30 кВт;
Проведены вариантные и оптимизационные расчёты характеристик натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт;
Построены схемы проточных частей и разработана конструкторская документация, включая 3D модели, натурной и модельной расширительных турбин и экспериментальных образцов турбогенераторных установок электрической мощностью 1 и 30 кВт. Турбогенераторы средней мощности (350.0…600.0) кВт для компрессорных станций в настоящей работе не рассматриваются, хотя они могут быть построены по кластерному принципу 10…20 единиц турбогенераторов малой мощности по 30 кВт.
Обоснованы и реализованы в конкретных конструкциях расширительные малорасходные турбины конструкции ЛПИ, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной технике, специальные подшипники, подшипники с консистентной смазкой и синхронные электрогенераторы на постоянных магнитах с преобразователями. Эти элементы послужат базовыми решениями при практической реализации и создании турбогенераторов для газотранспортной системы России.