К.А. Пайков, А.В. Левкович – ЗАО «НГ-Энерго»

Производственно-инжиниринговая компания «НГ-Энерго» изготавливает и поставляет ДЭС для буровых установок, строит ГПЭС, работающие на природном и попутном газе, агрегатирует силовые приводы, разрабатывает и производит нестандартные изделия силовой электроники. В статье представлено несколько наиболее важных и интересных аспектов создания и эксплуатации газопоршневых электростанций на попутном газе.

За несколько лет своей деятельности компания «НГ-Энерго» реализовала ряд проектов ГПЭС на попутном нефтяном газе (ПНГ) – это Восточно-Сургутское, Яун-Лорское, Северо-Селияровское, Снежное и другие месторождения. Одним из заказчиков газопоршневых электростанций, работающих на ПНГ, является ОАО «Сургутнефтегаз».
Реализация проекта на Восточно-Сургутском месторождении потребовала разработки и освоения новых технологий. Были опробованы и применены новые конструкторские решения, разработаны методики и проведены расчеты по соответствию параметров качества электроэнергии, вырабатываемой ГПЭС, заданным техническим требованиям и требованиям нормативных документов. При проектировании системы подготовки ПНГ, ввиду особенностей процесса формирования его исходных параметров, возникали сомнения в возможности обеспечения надежной работы электростанции. Однако на данный момент ГПЭС работает в основном режиме без замечаний, и эксплуатирующие организации с других объектов заказчика приезжают изучать опыт для оптимизации работы уже существующих станций.
В настоящее время на Западно-Сахалинском месторождении (Сургутнефтегаз) монтируется новая станция на попутном газе, с внедрением инновационных инженерных решений, разработанных с учетом накопленного опыта эксплуатации. Заказчик ГПЭС – ОАО «Сургутнефте¬газ», генеральный проектировщик – ООО «СургутНИПИнефть». Газопоршневая электростанция Энерго-П6160/6,ЗКН30 электрической мощностью 6160 кВт, напряжением 6,3 кВ предназначена для электроснабжения объектов нефтедобычи и утилизации попутного газа Западно-Сахалинского месторождения.
Для правильного подбора генерирующего оборудования и технических систем, обеспечивающих его работу, у заказчика запрашиваются наиболее важные исходные данные по ПНГ. Чтобы принять соответствующее проектное решение, необходимо знать мольный состав газа, который будет использоваться ГПЭС в качестве топлива (для расчета метанового индекса); его качественный состав (наличие механических примесей, капельных взвесей, паров воды и т.д.); давление; температуру, а также наличие связанной и свободной серы. Надо отметить, что на некоторых месторождениях состав исходного газа, предлагаемого к утилизации, довольно сложен.
При проектировании системы подготовки топливного газа и динамического расхода на горение инженерная служба компании готовит техническое задание или технические требования к системе подготовки ПНГ и согласует их с заказчиком. Если исходный состав газа по метановому числу в пределах нормы для двигателей газопоршневого агрегата (ГПА), обычно применяется стандартный набор элементов – фильтры механической очистки твердых частиц и фильтры очистки от капельной жидкости, ресиверы, редукторы расхода и запорно-регулирующая арматура с контрольно-измерительными приборами. Результаты измерений параметров газа вводятся в АСУ.
Если метановый индекс ПНГ ниже нормы, помимо стандартных компонентов применяются компрессоры, а также скрубберы и центрифуги, устройства с использованием регулируемого вихревого разделения потока, т.е. эффекта Ранка-Хиша. Для нейтрализации свободной и связанной серы в основном применяются абсорбенты, иногда химические катализаторы, а также другие технологии, направленные не только на улучшение качественного состава газа, но и на повышение метанового индекса. Таким образом, исходные данные по составу ПНГ имеют большое значение для определения состава и сочетания элементов системы газоподготовки.
После получения максимально полных исходных данных осуществляется инженерное моделирование процесса выработки электрической и тепловой энергии. Это связано, прежде всего, с тем, что состав устьевого ПНГ, его показатели в процессе эксплуатации зачастую меняются, причем даже на одном месторождении на разных скважинах компонентный состав газа отличается. Для оптимальной работы электростанции на ПНГ в таких условиях подбираются поршневые двигатели, обладающие максимальной «гибкостью». Например, двигатели Cummins могут иметь различную степень сжатия, на некоторых типах двигателей Rolls-Royce возможно введение в топливный газ выхлопных газов для стабилизации их работы.
Однако гибкость настроек системы управления двигателем любого производителя ограничена и рассчитана на определенный усредненный исходный состав попутного газа (который, например, через месяц может сильно измениться). В связи с возрастанием вероятности детонации при этих условиях, возникает необходимость регулирования мощности двигателя в зависимости от значения метанового индекса попутного газа. Это заставляет ужесточать требования к системе подготовки газа в целях обеспечения максимального сохранения химико-физических свойств ПНГ в системе подачи топливной смеси в агрегат.
Необходимость инженерного моделирования процесса выработки энергии обусловлена еще и тем, что конфигурация электростанции в значительной степени зависит от состава потребителей на общей для нескольких генераторов шине. Например, наличие асинхронных электродвигателей большой мощности, даже с устройством плавного пуска, – это большие пусковые токи, реактивная энергия, значение которой для генератора (без искажения параметров электроэнергии) ограничено. При потреблении природного газа газопоршневые двигатели, поскольку они работают по циклу Карно, имеют достаточную приёмистость.
Например, приводы Rolls-Royce до 50% принимают нагрузку с нуля, другие производители дают стандартную, «облегченную» процентную от номинала раскладку наброса мощности -35/35/15/15%. Но при использовании ПНГ в процессе сгорания тяжелые углеводороды (пентаны, бутаны и т.д.), обладающие большей теплотворной способностью, взрываются, и возникает эффект детонации, что вызывает нарушение теплового баланса верхней части двигателя и разрушает поршневую группу, камеры сгорания и клапаны. Это явление стараются предотвратить за счет снижения расхода топливного газа и эффективности мощности двигателя (дерейтинга), что, в свою очередь, нарушает устойчивость работы системы.
Обычно при метановом индексе менее 70 снижают мощность агрегата на 10…20%. Для агрегатов с частотой вращения 1500 об/мин явление детонации, даже слабо проявленное, очень опасно, и дерейтинг обычно составляет 20%, а для низкооборотных двигателей Rolls-Royce, как правило, не более 10%.
Еще одной задачей проектирования является разработка и реализация алгоритма удержания «статической» устойчивости электрической системы, состоящей из нескольких генераторов, соединенных на общую шину, к приему и сбросу нагрузки. При проектировании станции, работающей на ПНГ, эта задача возлагается на АСУ ТП, которая разработана специалистами ЗАО «НГ-Энерго». Кроме того, компания разрабатывает специальные устройства силовой электроники, облегчающие процесс приема нагрузки и обеспечивающие баланс мощности, системы измерения и обработки параметров сети и т.д.
В заключение нужно отметить, что при проектировании и строительстве электростанций, работающих на ПНГ, возникает достаточно много проблемных вопросов. Компания «НГ-Энерго» реализует наиболее применимые в настоящее время способы и методы для их решения, так как напрямую работает с проектно-конструкторскими подразделениями ведущих зарубежных производителей техники и российских проектных институтов. Sporto prekes bigsport.lt Наши партнеры – это компании Cummins, GE Energy, Rolls-Roys и др.