Сравнение энергии сжатого газа на последней стадии его транспортировки с его внутренней энергией горения

Обычно, природный газ используется как топливо, т.е. используется его внутренняя энергия сгорания.

Но так же известно, что любая сжатая пружина может совершить работу, а любой поток жидкости или газа может вращать турбину.

По газопроводным магистралям газ транспортируется под давлением от 100 до 160 атмосфер, причем ежечасно по трубе проходит от 10000 до 12000 м3 газа.

Кинетическая энергия резко возрастает, если создать разность давлений, которую можно осуществить за счет использования расширительной колонны.

Данная энергия сжатия газа  в настоящее время нигде не используется, а идет только «для создания шума и свиста» при сбросе давления на газораспределительных станциях. В данном проекте сделана попытка сравнения энергии сжатого газа с его внутренней энергией сгорания и предложены методики расчёта этой энергии сжатия, а также возможности использования   этой «бросовой» энергии.

Предмет исследования: проблема использования энергии сжатого природного газа на газораспределительных станциях.

 Цель исследования: В данном проекте сделана попытка сравнения энергии сжатого газа с его внутренней энергией сгорания и предложены методики расчёта этой энергии сжатия, а также возможности использования   этой «бросовой» энергии.

. Задачи исследования:

-изучить теоретические методы расчёта потенциальной энергии сжатого газа, поступающего по газопроводу;

-Сравнить и проанализировать эти методики расчёта энергии сжатого газа;

Актуальность изучаемой проблемы: заключается в том, что выводы, сделанные в данном проекте, могут помочь решить проблемы связанные обеспечение дешёвой электроэнергией   населённых пунктов региона.

Объект исследования: кинетическая энергия струи и энергия сжатого газа.

Метод исследования: сопоставительно-аналитический.

Гипотеза: энергию движения любой массы (жидкости или газа) можно использовать для вращения турбин. Такая возможность создается за счет существования разности давления, которое возникает в результате сгорания топлива. На газораспределительных станциях  аналогичная ситуация существует самопроизвольно, так как газ поступает под давлением от 100 до 200 атмосфер.

Рассмотрение этой проблемой в любом случае поможет нам глубже понять теоретические и практические проблемы  физики, в частности проблемы использования кинетической энергии струи газа в энергетике.  

Полученные результаты: предложены две методики расчета энергии сжатого газа (1-рассматривая процесс расширения газа как адиабатный, протекающий квазистатически; 2- как динамический, используя закон Бернулли). Предлагаются технология и направления возможного использования освободившейся энергии.

Расчеты показывают, что в результате реализации данного проекта одна установка вырабатывать мощность 1015 МВт (что сравнима мощностью стандартных дизельных электростанций, используемых в регионе). Экономический эффект за год 1 млрд. кВт ч энергии.

 Для сравнения  при сгорании такого же количества газа мощность сгорания составляет 132 МВт, т.е. энергия сжатия  составляет примерно порядка от 10%  до 30% внутренней энергии сгорания самого газа.

Нефтегазовый комплекс развивается в округе всего неполных сорок лет, но уже стал неотъемлемой, важнейшей частью его экономики. По запасам природного газа округ находится на первом месте не только в России, но и в мире. Газовые месторождения расположены не только на суше, но и за ее пределами, на шельфе Карского моря.

Одним из главных приоритетов энергетической стратегии Ямало-Ненецкого автономного округа должно стать создание необходимых условий для перевода экономики региона на энергосберегающий путь развития.

Интенсивное освоение нефтяных и газовых месторождений  в семидесятых-девяностых годах привело к тому, что административные районы на территории автономного округа по техническому и технологическому уровню резко отличаются друг от друга по уровню энергоснабжения. Объекты энергетики на северной и западной территориях  округа так и остались работать на дорогостоящем привозном дизельном топливе. Это негативно сказывается как на надежности энергоснабжения автономного округа, так и на уровне затрат на энергоснабжение.

В настоящее время электроснабжение в автономном округе осуществляется в северной и западной части территории децентрализовано, за счёт  автономных дизельных электростанций, работающих за счёт привозного топлива.

Экономическая эффективность определяется тремя важнейшими параметрами: объемом запасов, производительностью и расположением (доступностью) месторождений. Большие запасы сырья позволяют эксплуатировать месторождение достаточно долго и, тем самым, продлять срок службы инженерных сетей, дольше обеспечивать работой население городов и поселков. Это очень выгодно, потому что так называемые удельные капиталовложения на одну тонну добытого газа резко сокращаются по сравнению с небольшими или мелкими месторождениями. К их освоению переходят, когда уже созданы основные инфраструктурные сети для группы месторождений. Производительность определяется дебитом скважин, тем, сколько нефти или газа они дают в год или за сутки.

Первый в арктическом регионе терминал отгрузки природного газа предполагается создать в районе п. Сабетта в рамках крупного инвестиционного международного проекта «Ямал СПГ» на основе ресурсной базы Южно-Тамбейского месторождения. Проект предусматривает ежегодное производство и морскую транспортировку около 16 млн. тонн сжиженного природного газа (СПГ) и до 1,35 млн. тонн газового конденсата (ГК) в год (выход на проектную мощность – 2018 г.) с возможностью расширения производства и перевалки в перспективе до 25 млн. тонн СПГ, 2,2 млн. тонн ГК и 3,5 млн. тонн нефти в год.

Факт объявления конкурса на подготовку акватории нового арктического морского порта означает, что, несмотря на некоторую нервозность в отношении долгосрочных перспектив цен на газ на мировом рынке, российское правительство по-прежнему твердо уверено в эффективности вложений в развитие газодобычи на полуострове Ямал. Точнее, именно эта «ценовая неопределенность» в отношении трубопроводного газа, возможно, и подталкивает российские власти к тому, чтобы побыстрее начать строить порт Сабетта, основное назначение которого – перевалка сжиженного природного газа (СПГ), который в количестве 15-16 млн. тонн в год будет вырабатываться на заводе СПГ в арктическом поселке Сабетта. Первая очередь самого завода, который будет сжижать газ, добываемый компанией НОВАТЭК на Южно-Тамбейском месторождении, должна заработать в 2016 году. Но для того, чтобы начать его строить (так же как и обустраивать само месторождение), сначала нужно завезти в Сабетту оборудование и материалы. С учетом политического веса НОВАТЭКа часть его, очевидно, будет доставлена по железной дороге Обская–Бованенково, которую «Газпром» специально построил на полуострове Ямал для освоения Бованенковского газоконденсатного месторождения

Но с другой стороны, для функционирования инженерно-технических объектов газодобычи и их устойчивого энергообеспечения, может представлять интерес использование «дармовой» энергии, которая сосредоточена в самих месторождениях газа и нефти в виде энергии упругости сжатого газа, где пластовое давление варьируется от 100 до 300 атм. Проблема использования этой энергии и методика ее получения  рассматривается в данной исследовательской работе

Экспериментальное обоснование возможности использования энергии сжатого газа.

Смоделируем месторождение газа на баллоне с сжиженным газом. Давление внутри составляет порядка 48 атм. Если открыть вентиль без вставленного редуктора мы можем наблюдать следующую картину:

• струя газа бьет на расстояние до 5 м. и свободно заставляет вращаться вентилятор;
• на стальной направляющей трубе появляется обледенение толщиной до5 мм, причем желто-коричневого цвета за 1-1,5 мин;
• внутри трубы также появляется слой льда темно- синего цвета;

Физические принципы и возможность использования энергии упругости природного газа.

        На газораспределительные станции, газ поступает под высоким давлением самопроизвольно выходит по трубам. Поступающий газ обладает  большой энергией сжатия, так как объём газа, выходящего при давлении до 300 атм. составляет 10000м³/час. Обычно эта энергия  ни в каком виде не используется, а сбрасывается в виде “шума и свиста” при дросселировании.  Что же собой представляет эта энергия с точки зрения физики?

        Это углеводородное топливо аккумулировшее солнечную энергию, полученное в результате биологических разложений в течение миллионов лет, сжатый до нескольких сот атмосфер в результате многократных подвижек  титанических плит земной коры.

       С точки зрения закона сохранения энергии - аккумулированная энергия солнца, нами  используется в качестве топлива, в результате его сжигания, или органического сырья  для химической промышленности, а энергия сжатия уходит в никуда (кстати, ею можно распорядиться только в момент сброса давления). Нетрудно предположить, этой энергии должно быть много, о чем свидетельствуют результаты природных  катаклизм (землетрясения, цунами и т.д.).

       Учитывая, если газу дать возможность расшириться, у него при этом давление уменьшается, температура падает и газовая струя приобретает большую кинетическую энергию согласно уравнению Бернулли. Это можно осуществить за счёт использования расширительной колонны: при переходе газа из трубы в расширительную колонну скорость движения струи может составить до 5000 м/сек. Указанные параметры струи газа примерно сопоставимы с тех. характеристиками газотурбинного двигателя на различных тепловых машинах, используемых в технике. Для сравнения рассмотрим принцип работы турбинного двигателя за счет кинетической  энергии струи газа, получаемой за счет сгорания топлива.

Турбина заслуживает особого внимания, поскольку она является  «сердцем» многих современных источников энергии. Работа турбины может быть представлена циклом Брайтона.

 Одним из ключевых законов термодинамики является второе начало: необратимые процессы в замкнутой системе всегда сопровождаются возрастанием энергии. Оно устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности  всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует все окружающее нас: горячие тела  с течением времени охлаждаются, но холодные сами по себе отнюдь не становятся горячими; прыгающий мяч в конце концов останавливается, но покоящийся мяч самопроизвольно не начинает подскакивать. Здесь проявляется то свойство природы, которое состоит в том, что хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от ее общего количества.

Охлаждение не противоречит законам природы, выраженным в частности вторым началом термодинамики. Последний лишь запрещает (или, говоря более точно, объявляет в высшей степени маловероятным) самопроизвольный переход теплоты от холодного объекта к горячему, если он не сопровождается никакими другими изменениями где-либо во вселенной. При этом второе начало термодинамики не запрещает переход теплоты в направлении, противоположном перепаду температуры, т.е. от холодного объекта к горячему, если такой переход сопровождается другими соответствующими изменениями.

Рассмотрим замкнутый цикл, в котором неопределенно долго циркулирует  одно и то же рабочее тело. Рассмотрим диаграмму  замкнутого цикла Брайтона. Прежде всего, рабочее тело сжимается  с помощью турбины. Сжатие происходит адиабатически, причем  как температура, так и давление газа повышаются; на диаграмме это соответствует переходу из состояния, отмеченного точкой А, в состояние, соответствующее точке В. В точке В энергия, возникающая при сгорании горючего или благодаря наличию теплообменника, нагреваемого из вне, передается горячему и сжатому газу. Температура газа возрастает еще больше, но двигатель устроен так, что объем газа может при этом увеличиваться; в итоге давление газа остается постоянным – двигатель переходит в состояние, соответствующее точке С. В точке С горячий расширяющийся газ попадает в турбину. Дальнейшая стадия цикла представлена адиабатическим расширением газа из состояния, соответствующего точке С, в состояние, соответствующее точке Д. При этом газ охлаждается, а его энергия выделяется в виде работы. В данном случае работа является результатом упорядоченного движения атомов, составляющих лопасти турбины. Наконец, чтобы вернуться  вновь в точку А, замкнув цикл, следует понизить температуру газа (а следовательно уменьшить его объем, сохраняя давление постоянным). На этом этапе мы отдаем тепло холодильнику для того, чтобы замкнуть цикл и получить практически действующий двигатель.

В данном случае можно заменить поток газа, полученного за счет сгорания топлива, потоком выходящего газа из недр земли. То есть мы открываем систему, заменив циркуляцию рабочего тела в замкнутом пространстве свободным потоком. Мы получили, таким образом, открытый цикл   Брайтона, исключая холодильник из цикла.

Теперь попробуем применить данную установку на буровой  станции. Установим газовую турбину на выходе трубы скважины, тогда выходящий газ под высоким давлением, будет вращать турбины генератора в течение всего времени эксплуатации этой буровой. Струя газа обладает собственной кинетической энергией, она создается по ходу его движения по газовой магистрали, то есть нагреватель так же не использован. Таким образом, на этапе 1 струя газа, обладая высоким давлением  и кинетической энергией, будет вращать лопасти турбины.

Покажем, что данный генератор будет вырабатывать достаточно электроэнергии за счёт применения «бросовой» энергии струи, которая до сих пор не используется. Для этого  предлагается две методики расчета: первая – работа, полученная за счет адиабатического расширения газа, а вторая – как работа потока струи газа.

Методика расчета- I.

Известно, что работа газа при адиабатическом  расширении определяется по формуле

       (1)

I.В данном случае совершённую работу определяем через изменение давления.

По данным, взятым на распределительных станциях, известно:

р1 = 150 атм.=1,5∙107Па      

Т1=300С303К

Так как все органические газы многоатомные, то= =1,33

Средняя молярная масса природного газа в районах добычи составляет=20∙10-3

Средняя плотность газа при расчетах   принята   1

Среднесуточный расход газа составляет - 255∙103(это данные взятые при испытаниях, с использованием ограничительной шайбы)

Тогда, работа, совершаемая газом за сутки при расширении, согласно (1) равна

11Дж0,3∙105кВтч  или   

           За 1 год  3650,3∙105кВт∙ч7кВт∙ч

Средняя мощность по данной методике определяется

N= ∙107 Вт=12 МВт

Формула, которая использовалась  при расчетах по первой методике, она справедлива для квазистатических процессов, т.е. для процессов которые протекают очень медленно.

Методика расчета - II.

Но в случае газодобычи – здесь процессы динамические. Для этого воспользуемся уравнением Бернулли:

++gh=const              (2)

Учитывая, что в пробуренной скважине давление практически в течение многих лет эксплуатации не меняется(200 а за шайбой соответствует атмосферному, то для этого участка применяя (2)получаем:

                (3)

   или==5,5м/с

Далее воспользуемся  уравнением Мещерского:  

Fт=0(4)

где0=  - ежесекундный расход газа в трубе,  в нашем случае    

.

Мощность струи газа с учетом (4)  примет вид

= 3=90Вт=90МВт

Вычисленная  мощность впечатляет и намного превосходит мощности дизельных электростанций, которые используются в населенных пунктах и буровых станциях Ямала.

          Используя вычисленную мощность, определим возможную выработку энергии на газосжижающей станции  в течение года.

A=N×t=90МВт·24ч·365дн=788400МВт·ч=788,4млрд.кВт·ч.

    Сравнивая полученные значения мощностей, полученной  по I и II методике, мы замечаем, что они сильно отличаются. Это можно объяснить тем, что при адиабатном процессе предполагается, что он проходит квазистатически ( т.е. очень медленно), а в нашем случае он протекает динамически. Последнее никак в расчётных формулах не учитывается (при чём таких формул даже нет, при динамических процессах).

    Во II случае скорость газа будет превышать скорость звука, поэтому здесь не может быть ламинарных течения газа, а закон Бернулли справедлив, только для ламинарных течений газов и отсутствие вязкости газа, что даёт завышенные результат. Значит истина лежит между двумя этими значениями.

Расчёт внутренней энергии сгорания газа поступающего по магистральному газопроводу

Найдём мощность, выделяемой при сгорании такого же количества  газа:

где 0=  - ежесекундный расход газа в трубе                                                    

q-удельная теплота сгорания газа

N=q=3.44.106=132МВт.

   Сравним полученный результат с расчетами, полученными выше которые  показывают, что энергия сжатого газа  в сравнении с внутренней энергией составляет от 10% до 30%.

   Мы знаем, что в порту Сабетта ежегодно производят около 16 млн тонн сжиженного природного газа. Распространим полученные цифры для этого случая

Рассчитаем, сколько газа проходит по магистральному газопроводу за одну секунду: ==500.

Рассчитаем мощность при сгорании 500 кг газа:

                                                         N=q=500.44.106=2,2МВт

Тогда мощность такой электростанции будет составлять от 10% до 30% этого значения, то есть N=2200MBт

Годовое производство электрической энергии:

W=Nt=2200MBт=19,3 млрд.кВт·ч

Или в рублёвом эквиваленте будет составлять, в расчёте с минимальными тарифами на электрическую энергию 1,5 руб./кВт.ч, около 29 млрд.руб.

Заключение

Данное исследование убедило нас в том, что энергия сжатого газа сравнима с его внутренней энергией сгорания и поэтому пренебрегать ею будет расточительством, т.е. почти треть его рыночной стоимости будет выброшена на ветер.  

В результате проведенных нами исследований теоретически была доказана возможность использования этой энергии. Предварительные экономические расчеты показали эффективность использования этой энергии. Внедрение предложенной нами методики генерирования и использования кинетической энергии газа открывает главные горизонты  энергетике и на ее основе поможет решению экономических и социальных проблем стратегического порта газодобычи.  

Кроме этого проанализирована и показана возможность использования побочных полезных эффектов(технологий), возникающих при использовании данной методики:

• резкое уменьшение температуры газа в результате совершенной работы(на 500800 С), что приводит к конденсации тяжелых фракций газа(газоконденсата) и влаги, т.е. очистке и осушке газа;
• кроме этого это позволит применить «дармовый холод» для нужд коренных народов Севера – для хранения оленины в тундровой зоне;
• решить проблему утилизации попутного газа при нефтедобыче.

Список литературы

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. – М.: Физматгиз. 2005.
2. Недра Ямала // Статистический сборник  окружного центра. – Салехард. 2012.
3. Советский энциклопедический словарь / гл. редактор А.М. Прохоров, – М.: Советская энциклопедия. 1989.
4. Шляхин П.Н. Паровые и газовые турбины.  – М.: Энергия. 2004.
5. Эткинс П.  Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир. 2008.