Приглашение поработать в подземном космосе, над использованием огромного океана энергии.
Мамедов Александр Нусратович , главный специалист, ООО «Техноинжениринг»
г .Ташкент тел. Служ. 256 82 82, тел. Моб. +998946351672,
e-mail: mamedov_46@mail.ru,texnoing@bk.ru.
Один очень крупный ученый, который в беседе со мной впервые столкнулся с проблемами работы в среде природного газа, в трубе газопровода с высоким давлением равным 50 МПа, заметил, что о космосе он знает больше, чем о средах с таким давлением. Это другой космос, подземный, так сказал ученый.
Приглашение поработать в подземном космосе, над использованием огромного океана энергии.
Аннотация. В статье подробно освещены вопросы профессионализма конструирования нескольких вариантов автономных источников электроэнергии, которые использовали энергию текущего по трубе газа. В статье подробно описаны идеи создания агрегатов используя энергию течения струи в трубе и перепада давления. Многие решения выглядят очень оригинально.
Ключевые слова: станции катодной защиты автономные источники электроэнергии, винт Дарье, асинхронный генератор, шестеренный пневмодвигатель
В настоящий время государство располагает разведанными запасами нефти и газа, открыты месторождений углеводородного сырья, годовая добыча газа достигла уровня сотен млрд. кубических метров газа. Газовая промышленность обладает крупнейшими ресурсами природного газа и самой мощной системой газоснабжения. Доля природного газа в мировом топливно-энергетическом комплексе, как ожидается, в первой половине XXI века возрастет до 30 %, а в России к 2015 году достигнет более 60%. Для достижения стабильного, бесперебойного спроса на природный газ «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» предусматривается сокращение потерь и снижение затрат на всех стадиях технологического процесса при добыче, подготовке и транспорте газа.
Россия является мировым лидером по добыче газа. Доля природного газа в мировом топливно-энергетическом комплексе, как ожидается, в первой половине XXI века возрастет до 30 %.
Россия мощная трубопроводная держава мира (Рис 1.). Общая протяженность магистральных газопроводов газотранспортной системы только группы «Газпром» на территории России составляет 171,2 тыс. км. В транспортировке газа используются 250 компрессорных станций с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов 46,2 тыс. МВт. Группа «Газпром» располагает крупнейшей в мире газотранспортной системой. Ее основная часть входит в состав Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России. Также Группа «Газпром» владеет магистральными газопроводами на Дальнем Востоке России: «Сахалин — Хабаровск — Владивосток», «Октябрьский — Хабаровск» и «Соболево — Петропавловск-Камчатский». Магистральные газопроводы на рабочее давление 10 МПа, имеют трубы из низколегированной стали диаметрами 1420 ,1220,1020мм. Для доставки этого топлива на электростанции и другим потребителям газа была построена единая газотранспортная система (ГТС), включающая развитую сеть магистральных газопроводов (МГ),компрессорных станций (КС), газораспределительных станций (ГРС),газораспределительных пунктов (ГРП) и щитов (ГРЩ) и др.Транспортируемый по магистральным газопро-водам газ обладает потенциальной эергией сжатого состояния и кинетической энергией движения по трубе. Основная часть этой энергии диссицируетсяна пунктах редуцирования газа. По газопроводным магистралям газ транспортируется под давлением от 100 до 160 атмосфер.
. Источниками пластовой энергии ,под действием которой нефть и газ притекают к забоям скважин, являются энергия напора пластовых вод, энергия свободного и выделяющегося при понижении давления растворенного в нефти газа, энергия упругости сжатых пород и жидкостей и энергия напора, обусловленного силой тяжести самой нефти. Виды и запасы энергии и силы , действующие в залежи и обеспечивающие приток нефти и газа к забоям скважин, необходимо рассматривать с учетом строения всей залежи и окружающих ее областей, а также свойств жидкостей и пород всего нефтяного пласта. Запасы энергии в залежи расходуются на продвижение нефти и газа по пласту к забоям скважин. Запас энергии в залежи зависит от величины пластового давления.
Запасы пластовой энергии в процессе эксплуатации залежи расходуются на преодоление сил , противодействующих движению нефти и газа в пласте: сил внутреннего трения жидкостей и газов п трения их о породу, а также капиллярных сил . Силы трения обусловлены вязкостью жидкостей и газов.
Другим видом пластовой энергии является упругая энергия сжатого свободного газа. Газ в залежи может присутствовать в виде газовой шапки или в виде пузырьков, рассеянных в нефти и выделяющихся из нее при уменьшении пластового давления ниже давления насыщения.
Вот это и есть подземная космическая система, где свои законы, малоизученная среда. Впервые столкнулся со средой , с таким высоким давлением в своей первой работе, когда пытался разместить в магистральном трубопроводе газовый винт для автономного источника электрической энергии.
Рис 1.
Добыча природного газа происходит, как правило, в необжитых районах, без развитой сети электрических коммуникаций, дорог и т.п. Объекты добычи, промысловой подготовки газа и транспортировка газа требует создания новых сетей электроснабжения в районе разработки месторождения, а вдоль магистральных газопроводов для электроснабжения, в том числе, катодных станций электрозащиты от коррозии. Как правило, это наиболее дорогостоящая и малонадежная составляющая проекта освоения месторождения, учитывая, что мачты электропередач устанавливаются в условиях пустынь и болот.
Для решения проблем электроснабжения отдаленных, локальных потребителей были сконструированы и изготовлены несколько вариантов автономных источников электроэнергии, которые использовали энергию текущего по трубе газа.
Создание конструкции, новой установки, изделия – это очень длинный и трудоемкий путь, труд многих коллективов. Но он начинается на чертежной доске или на дисплее конструктора. Успех дела в целом зависит от решения задачи конструктором, конструкторским коллективом. При решении задачи конструктор полностью овладевает материалом, который сопутствует пониманию задачи.
К примеру, на сибирских газопроводах нет надежного источника энергии, который бы питал станции катодной защиты. Типовые решения, применяемые в других регионах, не оправдали себя. Газопроводы страдают от коррозии, службы обеспечения сбились с ног в поисках решения задачи. Поставили задачу перед всеми газовиками. Пробовали различные источники энергии вплоть до автономного источника энергии фирмы « Ормат» ( была закуплена партия). По различным причинам источники энергии в условиях
Сибири, безлюдья не прижились. В основном, эти источники работают на потреблении топлива. Их ненадежность, зависимость от ежедневно текущего обслуживания, была из-за наличия источника тепла - горелки. Как избежать ненадежного источника энергии? Были предложены ветряные, солнечные источники электрической энергии, но все это оказалось ненадежным.
В отделе, где работали энтузиасты, решили создать источник энергии, который использует энергию текущей газовой струи, потока по трубопроводу. Его положительные стороны: источник надежный по постоянству течения потока, в одном направлении, газ инертный по химическому составу, положительной температуры, достаточной плотности и местонахождение источника всегда рядом с потреблением, без традиционной проводной связи.
Несмотря на необычность задачи, это направление было привлекательно - на это указывал академик Миллионщиков еще в 1949 году.
Трудность состояла в основном в том, что процесс отбора энергии у струи газа, текущей по трубе не изучен, поэтому конструктору невозможно начать работу без предварительных расчетов, изучения технических предложений, моделирования сравнительной работы. Трудность еще заключалась в том, что сечение трубы, где предполагалось размещение рабочих органов должно быть освобождено во время периодической очистки и инспектирования трубы: по трубе будут пропущены инспекционные и другие поршни. Вот теперь можно полностью сформулировать задачу, добавить еще меры безопасности при эксплуатации, так как зона газопровода - участок взрывоопасный. И естественно, оборудование не должно быть помехой основному процессу- транспортировке газа.
Основной документ, с которого начинается конструкторский проект - техническое задание. В этом документе все изложено четко, расписаны материалы, конструкция, меры безопасности, способы хранения, условия хранения и транспортировки изделия. Изложены также условия эксплуатации.
Чтобы в нашем случае подготовить такой документ, необходимо провести следующие работы.
Вначале провели поиск решений в технической литературе, каталогах изобретений, в статьях. На этом этапе были выявлены аналоги нашей установки. Условия эксплуатации диктовали особую конструкцию рабочего органа : рабочий орган должен быть из области ветроэнергетики , низкооборотный и его можно складывать. Вот те качества, которые повлияли на применение винта Дарье в новой установке. Он в рабочем положении разворачивался, а при необходимости складывался и убирался в нишу бокового отвода.
Затем последовал аэродинамический расчет винта: необходимо было получить в конечном итоге 3 кВт переменного тока. Была проведена работа по подборке генератора электрического тока.
Это тоже немаловажные задачи. Во-первых, таких генераторов малой мощности промышленность не выпускала. Мало того, решено было разместить генератор в полости трубы, в газе. Отсюда вывод: генератор лучше всего взять асинхронный ,он не имеет щеток. Вопрос в том, как быть со взрывоопасностью. Этот вопрос дебатируется по сей день, хотя на него дали ответ самые авторитетные ученые и ВНИИВЭ. Газ-среда инертная и там нет условий для возникновения искры , а значит и взрыва.
Итак, основные вопросы проработаны, компоновку можно делать. Изделие представляло собой трубу, которая монтировалась на ответвлении, которое в свою очередь отсекалась задвижкой. В трубе по направляющим, перемещался агрегат. Агрегат представлял собой винт Дарье, который способен складываться и подниматься или опускаться в основную трубу. генератор , соединенный муфтой и поршень, за счет которого осуществлялось перемещение агрегата. Механика была решена. Электрическая часть требовала решений нескольких задач. Задача асинхронного генератора промышленного образца была решена. Другая задача: как передать полученную энергию через стенку трубы, в которой высокое давление газа? Было решено спроектировать гермовывод, его контактные штыри залили фарфоровой смесью. Когда это все скомпоновали, со всеми мелочами, высота изделия получилась более 5 метров при диаметре 325мм. Металлоемкость изделия с площадками обслуживания тоже была несоизмеримо огромной. Стало ясно, что явно пошли не по тому пути. Заказчик все же настоял и опытный образец изделия был изготовлен и испытан на полигоне, он поражал всех своей громоздкостью. Работа зашла в тупик, хотя идеи были хорошие. Конструкторы не добрались еще до проблем: как и чем смазывать подшипники качения, как автоматически убирать из полости трубы рабочий орган.
Описывая случай, необходимо остановиться и конкретизировать этапы разработки и постановки новых изделий на производство, которые предусматриваются стандартами. В случае, если конструкция получилась удачной, эксплуатация ее - удовлетворительной, опытный образец после проведения комплекса испытаний, предусмотренных программой, подлежал сдачи приемной комиссии. И далее, при положительном решении комиссии назначается опытная партия, которая размещается для испытания на объектах отрасли. После испытаний, технологической подготовки производства, готовится сигнальный образец, который проходит эксплуатацию. После успешной эксплуатации образца принимаются решения о назначении серийной партии изделия. На всем протяжении этой работы конструкторы принимают самое непосредственное участие.
Итак, идея создания автономного источника электроэнергии, использующего текущий по трубам газ с применением винта Дарье уперлись в тупик и ее дальнейшая разработка остановилась. Ее единственный экземпляр, изготовленный в НПО Энергия г. Воронеж и испытанный на полигоне в г. Саратове. В натуре громоздкость и металлоемкость была еще выразительнее. Испытания, по словам испытателей, ничего не показали, и этот образец стоял брошенный заказчиком, ВНИИСТом. Однако позже работая над новым образцом я все - таки нашел решение. На выставке демонстрировали шаровой кран с шлюзовой камерой. Она предусматривалась для запасовки очистного поршня. Вот через этот шлюз я и предлагаю размещать в полости шара электрический агрегат с горизонтальным винтом. В случае освобождения сечения трубы агрегат легко демонтировался. Электрическая проводка размещалась в хвостовике крана, в заранее просверленном канале и выводилась через торец по гермовыводу. Получилось оригинально и просто. Стоимость такого крана со шлюзом не на много превышала стоимость обычных кранов. Фирма изготавливала их до диаметра Ду 700 серийно и могла изготовить в случае заказа до диаметра Ду 1000.Есть возможность проработать идею до деталей, это очень стоящая новая идея.
Но необходимость в автономном источнике электроэнергии не отпала, и мы начали с заказчиком из Сибири прорабатывать возможности новой конструкции. Было решено сделать источник энергии с приводом типа воздушной трубы с расположенными внутри нее авиационным винтом. Мною детально был разработан вариант с авиационным винтом с генератором собственного изготовления. Изготовили один экземпляр , но до испытания дело не дошло, установка долго лежала во дворе, врезки в газовый коллектор не последовало , заказчик охладел к конструкции, я тоже не горел желанием ее испытывать. Однако мною овладела совершенно новая более интересная идея.
Новая идея заключалась совершенно в новом подходе к реализации привода, в использовании перепадов давления, где это целесообразно. Известно, что при транспортировке газа встречаются места ,где технологически необходимо снижать давление газа .Это ГРЭС, ГРП, установки низкотемпературной сепарации, а так же в том месте, где газ выходит из скважины. Этот источник электрического питания можно устанавливать, используя перепады давления на рабочих колесах расширительных машин. При этом он устанавливается на байпасе, не на основной линии. При этом, он не мешает эксплуатации, проще получить разрешение на врезку в действующий газопровод. Мы утилизируем энергию газа, которая все равно утрачивается на дросселях. Источник энергии, работающий на перепаде давления, когда я его испытывал, весил всего 200 кг длиной около метра и диаметром 325 мм.(см.рис 2.)
Рис 2.
Он не шел в сравнение с теми гигантами, которые были созданы ранее. И естественно, он тут же стал приоритетным. Была поставлена задача проработать и изготовить опытный образец. Вначале были изучены турбинные приводы. Турбины разрабатывались в г. Харькове, в НПО «Союзтурбогаз». Мощность турбин была самой меньшей- 500 кВт. Турбин малой мощности никто не создавал, поэтому начали поиск среди семейства расширительных машин - пневмодвигателей.
Выбирая наиболее необходимую машину, руководствовались изученными техническими условиями и предыдущим опытом. Ротационные пневмодвигатели, их передовые разработки удовлетворяли своим качеством в заданных условиях их применения, но они обладали рядом нежелательных свойств для условий в газовой среде . Они оказались высокооборотными, а это означало чувствительными к качеству газа, к качеству смазки. Кроме того, они были не надежными из-за высокого износа лопастей, и в связи с этим требовали постоянного обслуживания и замены изношенных лопастей.
Поршневые пневмодвигатели, несмотря на положительные стороны этого вида расширительных машин, они все-таки обладали рядом нежелательных свойств. В первую очередь они требовали высокой чистоты газа, от этого зависела их надежность и долговечность. Затем поршневые пневмодвигатели были сложны в изготовлении и эксплуатации, они не удовлетворяли требованиям автономной работы, требовали постоянного обслуживания.
Роторные пневмодвигатели по своим качествам наиболее подходили для автономного источника электроэнергии, но их сложные конструкции, дополнительная зубчатая передача, трудность изготовления не позволили их считать приоритетными.
Наконец, рассматривая шестеренные пневмодвигатели, их свойства, условия их эксплуатации, отзывы конструкторов горных машин о их надежности и долговечности убедились в целесообразности их применения для новых условий эксплуатации . Их технические показатели как нельзя лучше подошли в к новому автономному источнику электроэнергии :
1-е: они имели номинальную скорость вращения 3 тыс. оборотов в минуту;
2-е: шестеренный пневмодвигатель выпускался серийно предприятиями горного машиностроения;
3-е: простота конструкции;
4-е: шестерни "перемалывали" любые загрязнения. Их можно было
выпускать с износостойким покрытием.
5-е: работоспособность пневмодвигателей подтверждалась многолетней эксплуатации их в условиях шахт.
Применяя серийный шестеренный пневмодвигатель ,асинхронный генератор был спроектирован простой агрегат, который удался с первого раза, совершенствование его затронуло только мелкие узлы. Корпусом в котором он размещался и противостоял высокому давлению газа, стала серийная труба диаметром 426 мм, и длиной 1000 мм. Агрегат собирается и опробывается вне корпуса, затем вставляется в корпус, крепился расклиниванием с трех сторон клиновыми распорками. Потом с обеих сторон устанавливались плоские крышки с уплотняющими кольцами и запирались врезными сухарями. Отвод и подвод газа осуществляется с боковой поверхности через приварные фланцевые штуцера, или есть вариант подвода и отвода газа через приварные штуцера, расположенные на плоских крышках. Подвод смазки осуществляется через штуцера с обратным клапаном на крышках, подача смазки к подшипникам и зубчатым передачам по гибким трубопроводам нагнетание смазки производилось станочным гидронасосом.
Электрическое оборудование функционирует следующим образом. Электрический ток, вырабатываемый генератором по кабелю, расположенному в трубе подается к герметическому выводу и даже через взрывобезопасный электрический разъем, взрывобезопасную коробку. Затем бронированным кабелем электрический ток подается на блок автоматического регулирования и защиты. Блок поддерживает возбуждение статорных обмоток электрогенератора, регулирует частоту тока, осуществляет защиту электрических соединений и всей схемы от перегрузки. Кроме того, он поддерживает номинальное число оборотов агрегата, путем переключения основной нагрузки на балласт и наоборот. К блоку подключается потребитель электроэнергии с омической или индуктивной нагрузкой.
Агрегат в собранном виде вначале испытывали на стенде. Он прошел пневматические испытания на сжатом воздухе и отдельно электрические испытания. С самого начала все работало стабильно: агрегат выдавал трехфазный ток 390 V, 50 Гц, колебания параметров лежали в области стандартных допусков.
Было решено испытывать агрегат на Саратовском полигоне. Далее описание процесса испытания подробно ведет автор разработки.
«После доставки агрегата на полигон туда съехались все: конструкторы, электрики, изготовители, заказчики и приглашенные наблюдатели из ВЕТРОЭНа. Начальство из Саратова стало высказывать сомнения относительно безопасности, работоспособности и т.д. Выручил всех начальник бригады испытателей, который на все рассуждения просто махнул рукой и сказал, что все берет на себя и никакой опасности не видит, если он опрессует агрегат. Так оно и вышло: агрегат установили, электрики протянули кабель в вагончик, развесили 500 Ваттные лампы в вазе полезной нагрузки и установили баластник. Дали команду на включение, открыли кран, но агрегат молчал. Сразу возросло напряжение, послышались смешки собравшихся. Я очень боялся, что в механизм при установке могло попасть что-либо и поэтому его заклинило. Хорошо, что вход перекрывался краном с длинной рукояткой. Я взял в руки закрытую рукоятку и изо всех сил рванул ее. Агрегат неожиданно взревел, лампы в окне вагончика просто пыхнули и дальше пошло в штатном порядке. Ночная температура была минус 20 градусов и от этого двигатель, вероятно, немного прихватило ночью т.к. после продувки его теплым газом во время опрессовки его оставили на ночь с перекрытым краном - вот он и примерз. Этого мы вначале не учли, и получился небольшой казус.
Дальнейшее испытание проходило под радостные улыбающиеся лица всех участников, ими все было отработано ранее, на стенде. Ну, конечно, я был рад больше всех и все меня поздравляли. После первых эмоций испытания пошли по программе на всех режимах. Со временем стук двигателя становился глуше и мы предположили, что он оброс внутри льдом. Хотели оставить дежурного на ночь, т.к. испытания должны были идти непрерывно 72 часа, но потом махнули рукой и оставили его работающем в автономном режиме.
Утром, подъезжая к базе мы узнали, что за ночь база была обесточена при какой-то аварии. Но все работники полигона из автобуса ясно видели свет наших 500 ваттных ламп в нашем вагончике и это произвело неожиданный шок на всех- разом все узнали о нашем успехе, тем более, что таких установок они никогда не испытывали.
Забегая вперед, хочу сказать, что я получил более 40 писем-заявок на этот агрегат от газовых предприятий от Сахалина до Черного моря. Затем, через полгода, уже летом мы успешно испытали образец для заказчика из Подольска. Очень заинтересовались образцом газовики из Уральска и вывезли его на вертолете для испытаний на трассе Средняя Азия- Центр. »
Надо сказать, разработка установки дала много оригинальных решений: начиная от крышек ( аналоги найдены в технической литературе) до решения основного вопроса-смазки. Дело в том, что обычная смазка для подшипников не устойчива в природном газе и она в других конструкциях регенерируется. Это совсем не подходит для нашего малогабаритного автономного источника энергии. Поэтому решено использовать в качестве смазки конденсат. Но где его взять? В трубе мы специально снижаем температуру до точки. росы, чтобы выделить и отбить газовый конденсат.
Полученный конденсат фильтруется и миниатюрным насосом нагнетается в подшипниковые узлы пневмодвигателя и генератора, дренируется и затем вновь возвращается в газовую среду. Оригинальным считается размещение генератора в газе, но если мы полистаем литературу, то найдем насос для перекачивания сжиженного газа. Там все аналогично: двигатель асинхронный в газе, ток подается через гермовывод. Гермовывод, аналогичный нашему, хотя когда создавали агрегат, еще об этом никто не знал. Это позволило мне защитить изделие перед многочисленными оппонентами. Несмотря на успех, конструкторы не оставили попытки усовершенствовать установку, упростить ее. Особенно им не нравилась ее взрывоопасность, хотя она и полностью защищена от нее. Сейчас родилась идея создать установку, генератор в которой располагался вне полости заполненной газом и был в обычном исполнении. Это достигнуто путем введения гидравлической передачи. Все это элементарно: в оболочке размещается пневмодвигатель в агрегате с гидронасосом, который в свою очередь, через трубопроводы направляет рабочая жидкость - газовый конденсат под давлением наружу, а снаружи гидродвигатель, агрегатированный с генератором приводит во вращение вал генератора
Этот принцип и есть у Н. Гулиа, у его маховиков. Но здесь надо решить массу вопросов, но все не так просто, как у Н. Гулиа.
На месторождениях у нас много точек отбора энергии у газа, утилизации. Газ очищается от механических примесей, капельной жидкости газ в сепараторах на УКПГ и УППГ. На газоконденсатных месторождениях для очистки газа, среди прочих, применяется низкотемпературная сепарация (НТС).
Установка НТС включает следующий минимальный набор оборудования: сепаратор I ступени; узел впрыска в поток газа ингибитора гидратообразования (метанола, 70-80% раствора диэтиленгликоля или др.); рекуперативные теплообменники, дроссель, эжектор утилизации газа выветривания, низкотемпературный сепаратор (тонкой очистки); разделители газового конденсата и воды с ингибитором гидратообразования. На установках НТС, в настоящее время, охлаждение газа производится за счет дроссель-эффекта.
На этой технологической линии выявлен источник энергии, которую возможно утилизировать, встраивая автономный источник в линию перед низкотемпературным сепаратором.
Предлагается поток газа перед низкотемпературным сепаратором направить на рабочие органы привода, заменяя тем самым дроссель, расширительной машиной. Это позволяет получить сравнительно более глубокое охлаждение газа и электроэнергию. Кроме этого, учитывая, что количество холода при этом вырабатывается в 4- 5раз больше, чем при существующей технологии установки НТС могут более длительное время работать без строительства дожимной станции .Учитывая объемы перекачиваемого газа на УКПГ до 5 млн.кубических метров в сутки это очень большой эффект государственного уровня.
Но как быть с магистральными газопроводами. При транспортировке газа магистральными газопроводами с давлением до 10МПа и расходом до 25 млрд. в год малые электростанции применимы, так же, в качестве источника электроснабжения катодных станций, узлов связи, системы автоматизации, управления приводами кранов и т.п. Реализовать применения малых электростанций можно при двухтрубной или многотрубной прокладке магистральных газопроводов т.к. в различных трубах всегда имеется различие уровни давления, а для получения, например 3 кВт электроэнергии необходим перепад 0,4МПа и перемещение газа объемом 4м3/мин.
Считаю что вопрос использования энергию текущей по трубе газа проработан основательно. Но уровень развития техники сейчас позволяет проектировать более совершенные машины. Идей совершенствования достаточно много и область применения все время расширяется. Нет возможности оформлять изобретения, они сыплются просто так.
Итак, здесь дано описание небольшого фрагмента из творчества конструкторов и других инженеров ,которые смогли прикоснутся к большой работе по использованию огромного океана энергии. В настоящее время вперед продвинулась и наука и производство, очевидно, что более просто можно решить проблемы, но широкого использования идея так и не получила. А ведь стоит только чуть-чуть озаботиться! Уверен в будущем.