blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-9-698-704blackmet-1721Research ArticleРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИRESOURCE SAVING IN FERROUS METALLURGYИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА НА ТЭЦ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИUSE OF EXPANDER-GENERATOR UNIT AT CHP OF METALLURGICAL PLANT FOR PRODUCING ELECTRIC POWER AND INCREASING EFFICIENCY OF COMPRESSORКлименкоА. В.KlimenkoA. V.

академик РАН, д.т.н., главный научный сотрудник

111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., 14

Academician of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

 

АгабабовВ. С.AgababovV. S.

д.т.н., профессор кафедры тепловых электрических станций

 111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., 14

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Thermal Power Plants

 

КорягинА. В.KoryaginA. V.

к.т.н., доцент кафедры тепломассообменных процессов и установок

 111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., 14

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Heat and Mass Transfer Processes and Units

 

korjaginav@yandex.ruПетинС. Н.PetinS. N.

к.т.н., доцент кафедры энергетики высокотемпературной технологии

 111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., 14

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Energetics of High-Temperature Technology

 

БорисоваП. Н.BorisovaP. N.

аспирант кафедры тепловых электрических станций

111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., 14

Postgraduate of the Chair of Thermal Power Plants

 

Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Московский энергетический институт)РоссияMoscow Power Engineering Institute (MPEI)Russian Federation201922102019629698704Copyright © Клименко А.В., Агабабов В.С., Корягин А.В., Петин С.Н., Борисова П.Н., 20192019Клименко А.В., Агабабов В.С., Корягин А.В., Петин С.Н., Борисова П.Н.Klimenko A.V., Agababov V.S., Koryagin A.V., Petin S.N., Borisova P.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1721

Рассмотрена возможность экономии энергоресурсов при производстве сжатого воздуха – одного из самых энергозатратных производств, в котором теряется значительная часть используемой энергии. Предлагаемое техническое решение основано на совместном применении двух энергосберегающих технологий: первая из них – использование технологического перепада давления транспортируемого природного газа, безвозвратно теряемого при его дросселировании на газорегуляторных пунктах предприятий, вторая – это охлаждение воздуха перед секциями компрессора для уменьшения работы сжатия. Предложена схема установки для комбинированной паровоздуходувной и электрической станции металлургического предприятия, в которой в дополнение к генерирующей электроэнергию и тепло энергетической турбине и вырабатывающему сжатый воздух двухсекционному компрессору с паротурбинным приводом используется двухступенчатый детандер-генераторный агрегат (ДГА), вырабатывающий электроэнергию и холод. Рассмотрена термодинамика процессов расширения газа в детандере, обоснован выбор двухступенчатой схемы. Вырабатываемый в ДГА холод используется для понижения температуры воздуха на входе в первую и вторую секции компрессора, что позволяет снизить расход топлива на сжатие воздуха. Применение предлагаемой схемы позволяет снизить расход топлива на привод компрессора. Полезно использовать теплоту сжатого воздуха для подогрева транспортируемого газа перед ступенями детандера и вырабатывать дополнительно электроэнергию. При этом для выработки электроэнергии не расходуется топливо, а теплота охлаждаемого воздуха не сбрасывается в окружающую среду, т. е. работа установки характеризуется высокими экологическими показателями. Приводится порядок расчета экономии топлива при применении предлагаемой схемы. Проведенная оценка показала, что использование данной схемы позволяет при расходе газа около 200 тыс. нм3/ч, давлении газа перед газорегуляторными пунктами 0,7 МПа и требуемом давлении воздуха 0,5 МПа уменьшить потребление топлива на теплоэлектроцентрали паровоздуходувной станции на 11,2 тыс. т у.т./год, что составляет 0,84 %. Вырабатываемая электрическая мощность ДГА при этом составит 5,3 МВт.

The ability of saving energy in the production of compressed air is one of the most energy-consuming production in which much of the used energy is lost. The proposed technical solution is based on the united use of two energy-saving technologies. The first of them is the use of technological pressure drop of transported natural gas which lost irrevocably when it is throttled at gas control stations. The second one is air cooling before the compressor sections to reduce compression work. A scheme of a combined steam blowing and heat power plant of a metal manufacturer is proposed. In addition to a power and heat generating turbine and a two-section air compressor with a steamturbine drive, a two-stage expander-generator unit (EGU) producing electricity and cold is used. The thermodynamics of gas expansion processes in the expander is considered, the choice of a two-stage scheme is founded. The cold produced in the EGU is used to lower the air temperature at the inlet to the first and second sections of the compressor, thus reducing fuel consumption for air compression. Using the proposed scheme allows to reduce fuel consumption to the compressor drive, to use the heat of compressed air to preheat the transported gas before the steps of the expander and to generate additional electric power. At the same time, fuel is not used to generate electricity, and the heat of the cooled air is not discharged into the environment, therefore the plant operation is characterized by high environmental performance. The procedure for calculating of fuel economy when using the proposed scheme is given. The assessment has shown that the use of this scheme allows, under given conditions of calculation, to reduce fuel consumption at the combined heat power and steam blowing plant by 11.2 thousand tons of fuel equivalent per year, which is 0.84 %. The generated electric power of the EGU will be 5.3 MW.

двухступенчатый компрессордвухступенчатый детандер-генераторный агрегатсовмещенное производство электроэнергиихолода и сжатого воздухаохлаждение воздуха перед секциями компрессораподогрев газа в детандер-генераторном агрегатеиспользование вторичных энергетических ресурсоввысокие термодинамические и экологические показатели работыпорядок расчета эффективностиtwo-stage compressortwo-stage expander-generator unitcombined production of electricitycold and compressed aircooling of the air in front of the compressor sectionspreheating the transported gas before the steps of the expandersecondary energy resourceshigh thermodynamic and environmental performanceprocedure for calculating efficiencyСтатья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию в рамках конкурсного отбора научных проектов, выполняемых научными коллективами исследовательских центров и научных лабораторий образовательных организаций высшего образования (заявка № 13.3233.2017/ПЧ1) и при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ в рамках получения стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам по научному проекту № СП-1141.2018.1.ReferencesГодовой отчет ММК за 2015 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mmk.ru/upload/iblock/5a2/1%20%D0%93%D0%9E%202015.pdfGodovoi Otchet MMK za 2015 g [Annual report of MMK for 2015]. Electronic resource. Available at URL: http://mmk.ru/upload/iblock/5a2/1%20%D0%93%D0%9E%202015.pdf (In Russ.).Никифоров Г.В., Олейников В.К., Заславец Б.И. Энергосбережение и управление в металлургическом производстве. – М.: Энергоатомиздат, 2003. – 480 с.Nikiforov G.V., Oleinikov V.K., Zaslavets B.I. Energosberezhenie i upravlenie v metallurgicheskom proizvodstve [Energy saving and management in metallurgical industry]. Moscow: Energoatomizdat, 2003, 480 p. (In Russ.).Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник в 4-х томах. Т. 4 / Под ред. А.В. Клименко, В.М. Зорина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МЭИ, 2007. – 632 с.Promyshlennaya teploenergetika i teplotekhnika: Spravochnik v 4 t. T. 4 [Industrial heat and power engineering: Handbook in 4 Vols. Vol. 4]. Klimenko A.V., Zorina V.M. eds. Moscow: Izdatel’stvo MEI, 2007, 632 p. (In Russ.).Демин Ю.К., Хасанова Р.В., Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В. Совершенствование схемы промежуточного охлаждения сжимаемого газа в системе снабжения техническими газами металлургического производства // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 1. С. 37 – 43.Demin Yu.K., Khasanova R.V., Neshporenko E.G., Kartavtsev S.V. Improvement of intermediate cooling scheme of compressed gas in industrial gas supply system at a metallurgical enterprise. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2017, no. 1, pp. 37–43. (In Russ.).Cronin P. The Application of Turboexpanders for Energy Conservation. Company materials. Rotoflow Corporation, USA, 1999.Cronin P. The Application of Turboexpanders for Energy Conservation. Company materials. Rotoflow Corporation, USA, 1999.Агабабов В.С., Корягин А.В., Джураева Е.В. Производство электроэнергии в детандер-генераторных агрегатах с одновременным отпуском теплоты различных температурных уровней (теплоты и холода) // Рациональное использование природного газа в металлургии: Сб. тез. Междунар. науч.-практич. конф. Москва, 13 – 14 ноября 2003 г. – М.: МИСИС, 2003. C. 45 – 46.Agababov V.S., Koryagin A.V., Dzhuraeva E.V. Electricity production in expander-generator units with simultaneous release of heat of different temperature levels (heat and cold). In: Ratsional’noe ispol’zovanie prirodnogo gaza v metallurgii: Sb. tez. mezhd. nauch.-praktich. konf. Moskva, 13-14 noyabrya 2003 g. [Rational Use of Natural Gas in Metallurgy: Abstracts of the Int. Sci.-Pract. Conf., November 13-14, 2003, Moscow]. Moscow: MISIS, 2003, pp. 45–46. (In Russ.).Berge W., Zahner C. Erdgas-Entspannungsturbine Goeppingen // Gas und Wasserfach Gas Erdgas.1991. Vol. 132. No. 7. P. 302 – 304.Berge W., Zahner C. Erdgas-Entspannungsturbine Goeppingen. Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 1991, vol. 132, no. 7, pp. 302–304. (In Germ.).Bosen W. Auslegung und Regelung von Erdgasexpansionsturbinen // VDI Berichte. Vol. 1141. Düsseldorf: VDI-VerlagGmBH, 1994. P. 113 – 124.Bosen W. Auslegung und Regelung von Erdgasexpansionsturbinen. In: VDI Berichte. Vol. 1141. Düesseldorf: VDI-Verlag GmBH, 1994, pp. 113–124. (In Germ.).Байков И.Р., Молчанова И.Р., Гатауллина А.Р. Энерготехнологический комплекс на базе детандер-генераторных агрегатов на компрессорной станции // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 6. C. 114 – 118.Baikov I.R., Molchanova I.R., Gataullina A.R. Energotechnological complex on the basis of expander-generator units at compressor station. Territoriya “NEFTEGAZ”. 2015, no. 6, pp. 114–118. (In Russ.).He T.B., Ju Y.L. Design and optimization of natural gas liquefaction process by utilizing gas pipeline pressure energy // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 57. No. 1 – 2. P. 1 – 6.He T.B., Ju Y.L. Design and optimization of natural gas liquefaction process by utilizing gas pipeline pressure energy. Applied Thermal Engineering. 2013, vol. 57, no. 1-2, pp. 1–6.Arabkoohsar A., Gharahchomaghloo Z., Farzaneh-Gord M. etc. An energetic and economic analysis of power productive gas expansion stations for employing combined heat and power // Energy. 2017. Vol. 133. P. 737 – 748.Arabkoohsar A., Gharahchomaghloo Z., Farzaneh-Gord M., Koury R.N.N., Deymi-Dashtebayaz M. An energetic and economic analysis of power productive gas expansion stations for employing combined heat and power. Energy. 2017, vol. 133, pp. 737–748.Agababov V.S., Stepanez A.A., Heymer J.J. Der Einsatz von Wärmepumpen zur Erdgasvorwärmung // Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 2000. Vol. 141. No. 3. P. 182 – 184.Agababov V.S., Stepanez A.A., Heymer J.J. Der Einsatz von Wärmepumpen zur Erdgasvorwärmung. Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 2000, vol. 141, no. 3, pp. 182–184. (In Germ.).Agababov V.S, KorjaginA.V., Utenkov V.F., Heymer J.J. Abhaengichkeit der Betriebsdaten einer Waermepumpenanlagezur Erdgasvorwaermung von den Einsatzparametern // Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 2000. Vol. 141. No. 9. P. 610 – 615.Agababov V.S, Korjagin A.V., Utenkov V.F., Heymer J.J. Abhaengichkeit der Betriebsdaten einer Waermepumpenanlage zur Erdgasvorwaermung von den Einsatzparametern. Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 2000, vol. 141, no. 9, pp. 610–615. (In Germ.).Furchner H. Stromerzeugung durch Erdgasentspannung. Einfuerunghemmnisse und technische Loesungen // Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 1997. Vol. 138. No. 11. P. 634 – 636.Furchner H. Stromerzeugung durch Erdgasentspannung. Einfuerunghemmnisse und technische Loesungen. Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 1997, vol. 138, no. 11, pp. 634–636. (In Germ.).Hagedorn G. Technische Moeglichkeiten und Anwendungspotentialefuer den Einsatz von Entspannungsmaschinen in der Versorgungswirtschaft und Industrie // VDI Berichte. Vol. 1141. Düsseldorf: VDI-VerlagGmBH. 1994. P. 1 – 15.Hagedorn G. Technische Moeglichkeiten und Anwendungspotentiale fuer den Einsatz von Entspannungsmaschinen in der Versorgungswirtschaft und Industrie. In: VDI Berichte. Vol. 1141. Düsseldorf: VDI-Verlag GmBH, 1994, pp. 1–15. (In Germ.).Modrei P., Sundermann H.-H. Planung, Bau und erste Betriebserfahrungeneiner Erdgas – Expansionsanlage in Ferngassystemen // Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 1998. Vol. 139. No. 5. P. 276 – 282.Modrei P., Sundermann H.-H. Planung, Bau und erste Betriebserfahrungen einer Erdgas – Expansionsanlage in Ferngassystemen. Gas und Wasserfach Gas Erdgas. 1998, vol. 139, no. 5, pp. 276–282. (In Germ.).СТО Газпром 2-3/5-501-2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов.STO Gazprom 2-3/5-501-2006. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya magistral’nykh gazoprovodov [STO Gazprom 2-3/5-501-2006. Standards of technological design of gas pipelines]. (In Russ.).Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 2016. – 496 с.Kirillin V.A., Sychev V.V., Sheindlin A.E. Tekhnicheskaya termodinamika [Technical thermodynamics]. Moscow: Energiya, 2016, 496 p. (In Russ.).Корягин А.В., Джураева Е.В. Расчет детандер-генераторных агрегатов и ожижителей природного газа // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2001611044. – 1 c.Koryagin A.V., Dzhuraeva E.V. Raschet detander-generatornykh agregatov i ozhizhitelei prirodnogo gaza [Calculation of expandergenerating units and liquefiers of natural gas]. Certificate of state registration of computer program no. 2001611044. 1 p. (In Russ.).Гуров В.И. Перспективы применения турбодетандеров в системе газоснабжения // Газотурбинные технологии. 2002. Т. 20. № 5. С. 34 – 37.Gurov V.I. Prospects for the use of turboexpanders in gas supply system. Gazoturbinnye tekhnologii. 2002, vol. 20, no. 5, pp. 34–37. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.