Пошук та аналіз способів підвищення потужності і ефективності турбодетандерів, які працюють на суміші природного газу
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-774X.2024.02.01Анотація
Однією з високоефективних сучасних альтернативних технологій виробництва електроенергії без нанесення практичної шкоди навколишньому середовищу є використання енергії стиснутого природного газу. Цей газ використовується як робоче тіло, зокрема в осьових турбодетандерах. Україна має значні родовища природного газу та розгалужену мережу магістральних трубопроводів для перекачування газу під високим тиском. Тому підвищення ефективності перетворення енергії стиснутого природного газу в механічну роботу для приводу електрогенераторів є важливою і актуальною задачею. В роботі наведені результати аналізу впливу основних геометричних параметрів проточних частин осьових турбодетандерів на їх ефективність. Для проведення розрахункових досліджень використано удосконалену математичну модель одновимірної течії в проточній частині та алгоритму, що її реалізує в програмному комплексі TurboOptProject (TOP). Розроблені алгоритми, що описують рівняння стану 9-компонентної суміші природного газу в діапазоні зміни параметрів, які відповідають умовам роботи вихідного і оптимального варіантів турбодетандера. Також враховано взаємодію і вплив на ефективність проточної частини протікань в кінцеві ущільнення системи регулювання осьового зусилля на ротор. Для отримання оптимального варіанту турбодетандера виконано удосконалення оптимізаційного алгоритму багаторівневої оптимізації складних технічних об’єктів. Проведені розрахункові дослідження та аналіз їх результатів показали можливість підвищення потужності оптимального варіанту проточної частини турбодетандера на 125,81 кВт (з 1608,86 кВт до 1734,67 кВт), а внутрішнього відносного ККД на 6,17 % (з 77,34 % до 83,51 %) в порівнянні з вихідним варіантом проточної частини.
Посилання
Homenko, A. S., Volov A. G., Chernov S. K. (2005), Turbodetandery i oborudovanie kompressornyh stancij Ch. 1 [Turboexpanders and equipment of compressor sta-tions], Kharkiv, 64 p.
Verxovna Rada Ukrayiny` [Verkhovna Rada of Ukraine] (2004), Kiots`ky`j protokol do Ramkovoyi konvenciyi Or-ganizaciyi Ob'yednany`x Nacij pro zminu klimatu [Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change], Access mode: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_801#Text (ac-cessed 22 December 2024).
Samojchuk K. O., Livyk N. V. (2020), “3.8 Detander-generatorni ustanovky [3.8 Expander-generator installa-tions]”, Vykorystannja vtorynnyh energoresursiv ta system akumuljacii' energii' v promyslovosti Ukrai'ny [Use of sec-ondary energy resources and energy storage systems in the industry of Ukraine], Access mode: https://elib.tsatu.edu.ua/dep/mtf/ophv_2/page13.html (ac-cessed 22 December 2024).
Kapustynskyj O. A., Bloshhycyn M. S., Golovko L. F. (2014), “Lazerne zmicnennja robochyh elementiv valiv turbodetanderiv [Laser strengthening of working elements of turboexpander shafts]”, Zagal'nouniversytets'ka nauko-vo-tehnichna konferencija molodyh vchenyh ta studentiv, prysvjachena dnju Nauky. Sekcija «Mashynobuduvannja», pidsekcija «Lazernoi' tehniky ta fizyko-tehnichnyh tehnologij» : tezy dopovidej, 2014 r., m. Kyi'v [University-wide scientific and technical conference of young scien-tists and students dedicated to the Day of Science. Section “Mechanical Engineering”, subsection “Laser Engineering and Physical and Technical Technologies” : abstracts, 2014, Kyiv], pp. 83–84.
Rubechini F., Marconcini M., Arnone A., Del Greco A. S., Biagi R. (2013), “Special Challenges in the Computational Fluid Dynamics Modeling of Transonic Turbo-Expanders”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 135(10), no. 102701, 8 p., https://doi.org/10.1115/1.4025034.
PJSC ”Turbogaz” (2024), Development and production of turboexpander equipment, Access mode: https://turbogaz.com.ua/uk/ (accessed 22 December 2024).
Turboden (2024), Gas Expander : Efficient turbo expand-ers solutions for natural gas networks, Access mode::https://www.turboden.com/solutions/2604/gas-expander (accessed 22 December 2024).
Avetian T., Rodriguez L. E. (2020), “Fundamentals of turboexpander design and operation”, Gas Processing & LNG, No 05.01.2020, Access mode: http://gasprocessingnews.com/articles/2020/06/fundamentals-of-turboexpander-design-and-operation/ (accessed 22 December 2024).
Maddox R. N., Bretz K. E. (1976), “Turbo-Expander Ap-plications in Natural Gas Processing”, Journal of Petrole-um Technology, vol. 28, pp. 611–613, https://doi.org/10.2118/5398-PA.
Saryazdi S. M. E., Rezaei F., Saboohi Y. (2021), “Optimal detailed design and performance assessment of natural gas pressure reduction stations system equipped with variable inlet guide vane radial turbo-expander for energy recov-ery”, Journal of Natural Gas Science and Engineering, vol. 96, no. 104222, https://doi.org/10.1016/j.jngse.2021.104222.
Zhu Z., Lou S., Zhang Y., An L., Liu Y., Li X. (2024), “The design and research of two-stage series-connected helium turbine expanders for hydrogen liquefaction sys-tem”, Applied Thermal Engineering, vol. 249, no. 123396, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123396.
Saryazdi S. M. E., Rezaei F., Saboohi Y., Sassani F. (2022), “Multi-objective Optimization of Preheating Sys-tem of Natural Gas Pressure Reduction Station with Tur-bo-expander through the Application of Waste Heat Re-covery System”, Thermal Science and Engineering Pro-gress, vol. 38(13), no. 101509, http://dx.doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101509.
Xiong Y., Zhang A., Peng X., Yao C., Wang N., Wu Y., Xu Q., Ma C. (2023), “Investigation of a sole gas expander for gas pressure regulation and energy recovery”, Energy, vol. 281, no. 128258, https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128258.
Borelli D., Devia F., Cascio E. Lo, Schenone C. (2018), “Energy recovery from natural gas pressure reduction sta-tions: Integration with low temperature heat sources”, En-ergy Conversion and Management, vol. 159, pp. 274–283, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.084.
Barone G., Buonomano A., Calise F., Forzano C., Palombo A. (2019), “Energy recovery through natural gas turboex-pander and solar collectors: Modelling and thermoeco-nomic optimization”, Energy, vol. 183, pp. 1211–1232, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.171.
Farzaneh-Gord M., Ghezelbash R., Arabkoohsar A., Pile-vari L., Machado L., Koury R.N.N. (2015), “Employing geothermal heat exchanger in natural gas pressure drop station in order to decrease fuel consumption”, Energy, vol. 83, pp. 164–176 https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.02.093.
Rindi A., Meli E., Boccini E., Iurisci G., Corbò S., Falomi S. (2016), “Static and Modal Topology Optimization of Turbomachinery Components”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 138(11), no. 112602, 9 p., https://doi.org/10.1115/1.4033512.
Bonaiuti D., Zangeneh M. (2009), “On the Coupling of Inverse Design and Optimization Techniques for the Mul-tiobjective, Multipoint Design of Turbomachinery Blades”, Journal of Turbomachinery, vol. 131(2), no. 021014, 16 p., https://doi.org/10.1115/1.2950065.
Usatyi O. P. (1988), Optymizacija CVT potuzhnyh parovyh turbin [Optimization of HPC of Powerful Steam Turbines], Ph.D. Thesis, Kharkiv, 187 p., Ukraine.
Usatyi O. P. (2013), Vserezhymna bagatoparametrychna bagatokryterial'na optymizacija protochnoi' chastyny tur-bin v integrovanomu informacijnomu prostori [All-mode multi-parameter multi-criteria optimization of the flow part of turbines in the integrated information space], D. Sc. Thesis, Kharkov, 419 p. Ukraine.
Boiko A. V., Govorushchenko Yu. N., Usatyi A. P. (2016), Optimization of the Axial Turbines Flow Paths : monograph, Published by Science Publishing Group 548 Fashion Avenue New York, NY 10018, U.S.A, 272 p, ISBN 978-1-940366-67-8, Access mode: http://www.sciencepublishinggroup.com/book/B-978-1-940366-67-8 (accessed 22 December 2024).
Usatyi O., Paschenko Yu., Avdieieva O. (2019), “A Com-parative Evaluation of the Efficiency Two Technological Approaches to the Design and Manufacture of the Blade Cascades of High Pressure Cylinder Turbine K-330-23.5”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineer-ing processes and equipment, no. 3(1328), pp. 11–23, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line), https://doi.org/10.20998/2078-774X.2019.03.02.
Himmelblau D. M. (1972), Applied Nonlinear Program-ming, McGraw-Hill, 498 p., ISBN 9780070289215.
Craig H. R. M., Cox H. J. A. (1970), “Performance Estima-tion of Axial Flow Turbines”, Proceedings of the Institu-tion of Mechanical Engineers, vol. 185, is. 1, pp. 407–424, https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1970_185_048_02.
Boiko A. V., Usatyi A. P., Rudenko A. S. (2014), Mnog-okriterial'naya mnogoparametricheskaya optimizatsiya protochnoy chasti osevykh turbin s uchetom rezhimov ek-spluatatsii [Multicriteria multiparameter optimization of the flow part of axial turbines taking into account operat-ing modes], Pídruchnik NTU “KHPÍ”, Kharkov, 220 p.
Pham D. T., Ghanbarzadeh A., Koç E., Otri S., Rahim S., Zaidi M. (2005), The Bees Algorithm Technical Note, Ac-cess mode: https://www.researchgate.net/publication/260985621_The_Bees_Algorithm_Technical_Note (accessed 22 December 2024).
