Využití expandérů při redukci tlaku zemního plynu

• Foto

Redukční stanice s expanzními stroji
Redukční stanice (RS) s expanzními stroji (1-5) jsou schopny přeměnit energii tlakového spádu ZP při jeho redukci na elektrickou energii. Protože při expanzi dochází k většímu poklesu teploty než při pouhém škrcení, je nutné pro zabránění poklesu teploty expandovaného ZP pod nula stupňů Celsia provádět intenzivnější předehřev, (resp. rozdělit expanzi do 2 dilčích stupňů se samostatným předehřevem před každým expanzním stupněm). Nejčastěji užívanými stroji jsou stroje pístové nebo nověji turbíny s radiálním, resp. axiálním průtokem s běžně docilovanou termodynamickou účinností η_ad = 0,75 – 0,85. Je vhodné ale zdůraznit, že elektrická energie vztažena pouze k teplu použitému k ohřevu ZP před nebo v průběhu expanze (2,2/0,4 MPa) je vyrobena s účinností blízkou 100 %. Jedná se tedy o ekologicky velmi zajímavý zdroj elektrické energie s velmi nízkými emisemi.

Expanzní turbíny
Jednou z prvních aplikací expanzní turbíny ZP v ČR byla předregulační RS Velké Němčice, kde je instalována turbína ABB výkonu 1,2 MWe s vysokofrekvenčním generátorem a frekvenčním měničem (invertorem). PBS Velká Bíteš vyrobila a před 25 lety dodala první expanzní turbínu o výkonu 450 kW do Slovnaftu Bratislava. Další expanzní turbína o maximálním výkonu 1,56 MWe byla dodána tehdejší Jihomoravské plynárenské, a.s. Brno do předávací stanice Brno-Turgeněvova, druhá o výkonu 1 MWe do chemického kombinátu Nitrogenmúvek Varpalota v Maďarsku – viz. obr.1.

Obr. 1 - Expanzní turbína PBS - Maďarsko

Současné konstrukce turbín pro RS umožňuje řešit expanzní turbíny pro daný účel mnoha způsoby a s různými užitnými vlastnostmi. Mohou mít provedení mnohostupňové s mimořádně vysokou účinností, absolutně těsné bez úniku zemního plynu do atmosféry, s moderními plynovými nebo i magnetickými ložisky – viz. obr. 2, bez převodovek buď přímo spojené s elektrickým generátorem nebo vybaveny vysokofrekvenčními generátory a měniči frekvence vyráběného elektrického proudu (7, 8).
 

Obr. 2 - Expanzní turbína S2M 300 kWe s magnetickými ložisky

Ohřev plynu
Aby byla zajištěna teplota plynu ve výstupním potrubí > 0 ºC, musí se ZP před vstupem do turbíny ohřát. O výši vstupní teploty rozhoduje velikost expanzního poměru a vnitřní termodynamická účinnost, která se pohybuje v rozmezí cca 70 – 85 %.
Elektrický výkon turbosoustrojí je přibližně přímo úměrný absolutní teplotě ZP na vstupu do turbíny, jeho množství a je závislý i na využívaném tlakovém spádu. Je proto žádoucí optimaximalizovat jeho vstupní teplotu. V případě regulačních stanic vzdálených od průmyslových podniků je dostupnost horkých medií omezená, proto je využíván ohřev prostřednictvím zemního plynu. K tomuto účelu je možné např. použít plynových kogeneračních motorů, kdy pro dohřev zemního plynu lze využít teplotu jejich výfukových spaliny po předchozím ohřevu chladicí vodou motoru, popř. horkou vodou z plynového kotle.

Šroubové nebo pístové expanzní stroje
Role expanzních turbin je prakticky nezastupitelná při redukci velkých množství plynů, což jsou případy stanic 6/2,2 MPa, t.j. mezi tranzitní a regionální sítí. RS mezi regionální a městskou sítí, tj. na tlakové úrovni 2,2/0,3 MPa jsou menší, ale výrazně početnější. U typické RS s průtokem 1.000 až 10.000 m³/h lze při využití expanzních strojů získávat 100 až 1.000 kWe elektrické energie (6). V této výkonové oblasti jsou expanzní turbiny relativně drahé. Výhodnější investiční a provozní náklady zde docilují „objemové“ expanzní stroje na principu pístových nebo šroubových strojů. V obou případech lze s výhodou použít stroje mazané olejem, které jsou levnější a provozně méně náročné.
 

Pístové expanzní stroje
V plynárenství jsou nejznámější expanzní pístové stroje odvozené z původně parních strojů, které byly vybaveny šoupátkovými rozvody (2-4).
Šroubové expanzní stroje
V oblasti průtoků odpovídajících el.výkonům jednotlivých expanzních strojů do 500 kWe se začínají úspěšně provozovat šroubové expandéry. Tyto stroje jsou konstrukčně a provozně jednoduché a investičně nenáročně – obr. 3.
Je nutné zdůraznit, že obě verze mají společné to, že proces expanze je řešien tak, aby byl blízký expanzi izotermické, která je nejefektivnější z hlediska výroby el.energie. Popisovaná řešení kvazi-izotermické expanze se liší tím, že teplo k ohřevu plynu je během expanze přiváděno kontinuálně nastřikováním jemně rozprášeného mírně ohřátého oleje přímo do expandujícího plynu. Díky rozdílu v měrných hmotnostech plynu a oleje je možné do expanzního stroje nastřikovat olej v množství několikanásobku hmotnosti plynu bez ohrožení bezpečnosti provozu stroje. Takto lze podstatně snížit teplotu dodávaného tepla předehřevu až na +20 ºC a tak využít i běžně nevyužitelných odpadních tepel. V letních měsících lze využít jako zdroje tepla i teploty okolního vzduchu.

Redukční stanice s možností zkapalňování ZP
Trh zkapalněného zemního plynu (ZZP) se neustále úspěšně rozšiřuje. Jeho hlavními spotřebiteli jsou doprava a energetika. V energetice je možno ZZP zásobovat sídla a technologie, které nejsou napojeny na potrubí ZP. Při zkapalnění ZP je nutné jej ochladit na teplotu –160 ºC (za atmosférického tlaku), což spotřebuje část jeho energie a zbavit jej vyšších uhlovodíků, které v průběhu ochlazování vypadávají z plynné fáze, tuhnou a blokují zkapalňovací zařízení.
Nejčastěji jsou používány dva způsoby: cyklus s vnitřní kaskádou nebo cykly s expandéry.
Cykly s vnitřní kaskádou v principu pracují s uměle připravenou směsí plynu, která je stlačena jedním kompresorem a ochlazena na teplotu blízkou okolí. Při dalším chlazení směsi v protiproudém výměníku dochází k postupnému vykondenzování rovnovážného podílu dalších složek (ovšem bez vzniku hydrátů) a po seškrcení plynokapalinové směsi na sací tlak kompresoru, dojde ke snížení teploty až na požadovaných – 160 ºC, kdy zkapalňuje ZP.
Pokud je cyklus vnitřní kaskády otevřený, je nutné za zkapalněný ZP do směsi nasávané kompresorem toto množství doplňovat. Energetická spotřeba pro zkapalnění je cca 0,35 kWh/m³ ZP.
Cykly s expanzními stroji jsou vhodnější pro menší a střední zařízení. Vyznačují se procesně jednodušším uspořádáním a jednodušším řídicím systémem, avšak i mírně větší energetickou spotřebou, asi 0,45 kWh/m³ ZP. Tuto spotřebu je však možné snížit s výhodou tam, kde je k dispozici vhodný tlakový spád zdroje plynu, tedy na RS. Typické uspořádání cyklu s expanzními stroji je (zdánlivě) jednoduché. Skládá se z kompresoru K, trojice výměníků Ex1 až 3, expanzního stroje ET a odlučovače ZZP O. Skutečnost, že ZP není jednosložkovou substancí, vede k nutnosti řešit separaci (odvádění) výše vroucích složek (voda, propan, butan), což je vyznačeno na schéma jako proudy A a B.

Nejzajímavější aplikací tohoto uspořádání je případ, kdy je k dispozici vhodný tlakový spád. Tato situace je např. na RS na výstupu z tranzitních plynovodů do regionálních plynovodů, kde je k dispozici tlakový spád 6/2,2 MPa. Takto modifikovaná RS nejenom že nespotřebovává teplo na ohřev plynu před škrcením, ale naopak dle potřeby část protékajícího ZP zkapalňuje. Redukční stanice s expanzními turbínami s elektrickým výkonem na úrovni 1 MWe je schopna zkapalnit až 5.000 kg ZP/h, tj. až 12% celkového protékajícího množství, což v kontextu regionální situace dané RS může být ekonomicky zajímavé.

Současné možnosti využití RS s expandéry v ČR
Expanzní turbíny 
PBS Energo disponuje několika typy turbosoustrojí pro výrobu elektrické energie vhodných pro expanzi zemního plynu z 2,2 na 0,3 až 0,4 MPa za průtoku 10.000 až 66.000 m³ /h. Při výstupní teplotě plynu po expanzi v turbíně cca 10 °C a teplotě plynu na vstupu do turbíny po ohřevu okolo 100 °C mají turbosoustrojí výkon od cca 100 do 2.500 kWe.

Typ turbíny                                    EXT 0,6                EXT 1                   EXT 2,5
Průtočné množství ZP (m³/h)   4.000 – 26.000   8.000 – 37.500  10.000 – 66.000
Max. výkon ( kWe)                          600                    1.100                     2.500

PBS také vyvinula typy pokrývající průtoky do 150.000 m³/h a výkony do 6 MW pro provozní tlaky do 4,0 MPa. Jsou připraveny i turbosoustrojí pro redukci tlaku z tranzitních plynovodů na 2,2 MPa s průtoky až 250.000 m³/h (101,325 kPa, 0  °C).

Parametry RS se šroubovými expandéry (RS SE)
Standardně vyráběné šroubové kompresory pro střední tlaky umožňují dodávat RS SE v širokém rozsahu průtoků od 30.000 do 500.000 m³ ZP/den za předpokladu tlakového spádu 2,5/0,3 MPa. V omezeném rozsahu jednotkových průtoků lze ale realizovat i RS SE pro tlakové úrovně 6/2,5 MPa. Pro zajištění nejvýhodnějších regulačních vlastností lze instalovat i dvojice paralelních šroubových expanzních strojů tak, že může být provozován pouze jeden z nich.

 Obr. 3 - Šroubový expanzní stroj

V průběhu expanze je do expandujícího plynu nastřikován mírně předehřátý olej (20 až 45  °C), který současně maže a těsní stroj a zajistí expanzní proces blízký izotermickému. Na výstupu ze šroubového stroje je olej ze ZP separován v třech stupních s vysokou účinností, stlačen, ohřát a zpět nastříknut do stroje. Tím je zajištěna výstupní čistota plynu odpovídající standardním požadavkům plynárenské sítě. Průtok ZP šroubovým expandérem v rozsahu 20 až 100 % je obvykle regulován plnicím šoupátkem.

Závěr
Doprava zemního plynu na velké vzdálenosti je dnes bezpodmínečně spojená s vysokými tlakovými hladinami a jeho exploatace v různých zařízeních s tlaky převážně mnohonásobně nižšími. Přechod z vysokých tlaků na nízké je dnes realizován, aniž by energie použita k jeho stlačení na počátku tranzitu ZP byla zpětně využita. Energie potřebná jak k jeho stlačení, tak k expanzi je spojena se zdroji produkujícími skleníkové plyny. Vhodnou realizací regulačních stanic s expanzními stroji by v našich podmínkách bylo možné získat až 670 GWh elektrické energie. Standardní RS spotřebovávají část ZP pro jeho ohřev před škrcením, přičemž toto teplo je zcela ztraceno. RS s expandéry spotřebují sice více tepla pro ohřev ZP před nebo v průběhu expanze, ale veškeré teplo ohřevu se transformuje beze zbytku v elektrickou energii. Při hodnocení návratnosti investice na RS s expandéry je tedy nutné od jejich provozních nákladů odečíst náklady na ohřev plynu ve standardních RS. O návratnosti investice do RS s expandéry pak bude rozhodovat především výkupní cena vyrobené elektřiny.
Ekonomicky zajímavým řešením je i spojení expanze ZP s produkcí ZZP vhodného pro využití v dopravě a po odpaření jako některé, lokální, resp. záložní zdroje ZP. Vzhledem k trvale rostoucím cenám energií by postupná náhrada Redukčních Stanic za RS s Expandéry měla být podporována zájmem plynárenských společností, stejně jako dosažení zařazení RS s expandéry spojených s výrobou elektrické energie mezi „ekologické zdroje elektrické energie“ s definovanou zvýšenou výkupní cenou elektřiny.
 

LITERATURA:
/1/ Koutský B., Buryan P., Molenda M., Šmýrová A., Kolarzcyk M.: Možnosti využití stlačeného zemního plynu pro výrobu elektrické energie prostřednictvím expanzní turbíny, Plyn 87,(11) 267 (2007).
/2/ Poživil J., Žďánský M.: Využití tlakového spádu ZP k výrobě elektrické energie, Ropa,Uhlie, Plyn a Petrochemie 43, 34 (2001).
/3/ Augustyn T.: Gasexpansion fũr Kleinere Leistungen mit neuen Spilling- Expandern des Typs MEP, Gaswärme International 47, 10 (1998).
/4/ Natural Gas Expansion – Expansion Power Module EPM, Kűhnle, Kopp &Kausch (KKK), HGC Hamburg 2001 (firemní materiály).
/5/ Kauder K., Temming J.: Contant Operation Behaviour of a Screw type Supercharger-Expander Schraubenmaschinen, Nr.10 – 2002, ISSN 0945-1870.
/6/ Brasz J. J.: Screw Expander testing, Carrier Corporation NY, C615/051/2003.
/7/ Plašil V.: Redukční stanice zemního plynu se šroubovým expanzním strojem, Diplomová práce č. 1010, ČVUT FS Praha 2007.
/8/ Schustr P., Kundera R., Buryan P.: Plyn (2009)

Poděkování: Autoři děkují za finanční podporu, jež přispěla k získání části prezentovaných výsledků, kterou obdržel v rámci úkolů MSM 6046137304 a MPO FI-IM 5/159.

Autoři: Prof. Ing. Petr Buryan,DrSc.1), Ing. Pavel Schustr,CSc.2), Ing. Radovan Kundera3),
1) Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, 2) ATEKO Hradec Králové, 3) PBS Velká Bíteš

Autor

• (red)