Kompresorová stanica Podzemného zásobníka zemného plynu Gajary-báden

V rámci podzemného zásobníka Gajary-báden (GB) sme sa snažili tento základný princíp zapracovať do nadzemnej technológie s cieľom maximalizovať/optimalizovať využitie jednotlivých kompresorových jednotiek (KJ) počas celého roka.

Pôvodná štruktúra Podzemného zásobníka zemného plynu (PZZP) bola založená na centralizácii kompresorovej práce v Centrálnej stanici (CS) v Plaveckom Štvrtku. Kompresorové jednotky CS takto zatláčali/odťažovali plyn do/z jednotlivých častí PZZP – ložísk 1. stavby a 3.stavby. Výstavbou novej časti PZZP na ložisku Gajary-báden sme túto štruktúru podstatne zmenili a to najmä v prospech zvýšenia flexibility, efektívnosti a spoľahlivosti prevádzky PZZP.

Návrh základných parametrov kompresorovej stanice

Základné parametre kompresorovej stanice (KS) vždy jednoznačne vychádzajú zo základnej koncepcie podzemného zásobníka, ktorá z druhej strany musí brať do úvahy technicky, ale i finančne dostupnú technológiu.

Pre PZZP Gajary-báden už v počiatočných štúdiách bolo uvažované s využitím kompresorových jednotiek ako pre zatláčanie do ložiskových objektov Gajary-báden, tak i s ich použitím pre plnohodnotné vtláčanie/ťažbu do/z ložísk 3. stavby.

Spracovávanie štúdií takto muselo, okrem iného, brať do úvahy použitie kompresorových jednotiek na tlaky nad 20 MPa, potrebné pre zatláčanie do ložiska Gajary-báden, ale i zohľadňovať potrebu používania relatívne nízkych tlakov do 7,5 MPa pre ložiská 3. stavby.

Myšlienka napojenia Centrálny areál Gajary-báden (CAG) i na strediská 3. stavby vznikla pri hľadaní spôsobu širšieho a efektívnejšieho využitia kompresorových jednotiek potrebných pre zatláčanie do ložiska Gajary-báden. Pri zadaní a následnom riešení štúdie usporiadania kompresorových jednotiek boli riešené dva základné varianty a to použitie turbokompresorových jednotiek a piestových kompresorových jednotiek.

Zo štúdie jednoznačne vyplynulo, že použitie turbokompresorových jednotiek umožní širšiu diverzifikáciu jednotlivých častí PZZP a umožní efektívnejšie použitie kompresorovej stanice  CAG, ako nezávislého zásobníkového centra mimo CS v Plaveckom Štvrtku.

Štúdie taktiež zvažovali použitie dvoch rôznych pohonov a to plynových turbín a vysokootáčkových elektromotorov.

Nakoniec po vyhodnotení a zvážení všetkých pre a proti, všetkých relevantných  argumentov bolo rozhodnuté o použití kompresorových jednotiek v usporiadaní: plynová turbína a dva kompresory (nízkotlaký a vysokotlaký) v tandemovom (dvojstupňovom) usporiadaní.

Tandemové usporiadanie pritom, podľa hodnotenia štúdie, zlepšovalo vlastnosti kompresorovej stanice pre možnosť použitia KJ v dvoch rozdielnych tlakových úrovniach, pri použití sériového alebo paralelného módu.

Popis kompresorovej stanice:

V zmysle výsledkov štúdií a následných štandardných stupňov prípravy projektovej dokumentácie boli v rámci druhej etapy výstavby PZZP Gajary-báden nainštalované dve kompresorové jednotky od firmy Solar Turbines, svetového lídra a najlepšieho v tomto výkonovom segmente.

Každá kompresorová jednotka sa skladá z niekoľkých základných komponentov:

Plynovej turbíny Taurus 60-7802S s parametrami podľa tab.č.1

Dvoch vysokootáčkových radiálnych kompresorov C169V a C166V v tandemovom usporiadaní

Prevodovky do rýchla s prevodovým pomerom približne 1,5:1

Riadiacim systémom  (obchodný názov Turbotronic)

Principiálne usporiadanie kompresorovej jednotky Solar je naznačený na obr. č.1 a axonometrický pohľad na praktické usporiadanie kompresorovej jednotky je na obr. č. 2

Obr. č.1 Principiálne usporiadanie kompresorovej jednotky

Obr. č. 2 Axonometrický pohľad na usporiadanie kompresorovej jednotky

Plynové turbíny

Sú to priemyselné dvojhriadeľové plynové turbíny firmy Solar parametrov podľa Tabuľky 1, určené pre mechanický pohon, v našom prípade použité pre pohon turbokompresorov. Začiatok výroby tohto typu turbín (Taurus 60)  vo firme Solar, siaha do roku 1990. Sú to teda pomerne nové a moderne konštruované turbíny. Ich konštrukcia, termická účinnosť, spôsob a rozsah diagnostiky, riadenie, použitie DLE systému spaľovania (Dry low emissions – nízke hodnoty emisií NOx a CO), spoľahlivosť ich prevádzky, podčiarknutá množstvom inštalácií vo svete, ich radí k pohonom s perspektívnou budúcnosťou. Z pohľadu životného prostredia je významný najmä systém spaľovania s nízkymi hodnotami emisií, s obchodným názvom SoLoNOx, ktorý spĺňa všetky zákonom dané požiadavky na maximálnu hodnotu vypúšťaných emisií NOx a CO.

Tabuľka č. 1 Základné parametre plynovej turbíny Taurus 60

Poznámka: Parametre platia pre ISO podmienky – 15°C, relatívnej vlhkosti 60%, na hladine mora, bez strát na saní a výfuku

Kompresory a prevodovka

Ako kompresory sú použité dva tandemové, radiálne, vysokootáčkové, turbokompresory poháňané cez prevodovku, ktorá im umožňuje dosiahnuť otáčky cez 22 000 min-1. Použitie takto vysokých otáčok v kombinácii s požadovanými výkonnostnými parametrami je jediný spôsob ako dosiahnuť vysoké výtlačné tlaky potrebné pre zatláčanie do ložiska GB. Kompresory sú vybavené systémom suchých upchávok firmy Burgman, ktoré ako jediné dokážu zvládnuť spôsob prevádzky a zabezpečenia kompresorov v tlakových podmienkach ložiska GB.

Riadiaci systém

Kompresorová jednotka je riadená a chránená cez riadiaci systém „Turbotronic“, osadený PLC Alan Bradley, podporovaný množstvom signálov zo senzorov, či už na kompresorovej jednotke, alebo na potrubných rozvodoch. Je navrhnutý tak, aby dokázal v automatickom režime riadiť kompresorovú jednotku v sériovom i paralelnom režime. Všetky základné parametre je  pritom možné diaľkovo riadiť z velína CAG. Je nutné však podotknúť, že prechod z jedného režimu do druhého vyžaduje zastavenie kompresorovej jednotky a prestavenie potrubného systému na správny, požadovaný mód. Bez splnenia „vonkajších“ blokovacích podmienok, mimo systém riadenia KJ, nie je tak možné kompresorovú jednotku ani spustiť nie to ešte prevádzkovať.

Protihlukový kryt

Pri úvahách o spôsobe umiestnenia kompresorových jednotiek boli zvažované dva základné varianty. Klasickom, doteraz používanom usporiadaní v NAFTA a.s., a to umiestnenie ľahkých protihlukových krytov (so štandardným útlmom 85 dBA) v jednej veľkej kompresorovej hale, ktorá „utlmí“ hluk na konečných 70 dBA,  (vždy merané vo vzdialenosti 1m od okraja budovy alebo krytu).

Nakoniec, po zhodnotení výhod a nevýhod obidvoch usporiadaní (vrátane investičných nákladov) bolo rozhodnuté pustiť sa cestou samostatných protihlukových krytov (obrázok č.3). Najhlavnejším argumentom, okrem finančnej stránky, bola nezávislosť jednotlivých  kompresorových jednotiek jednej od druhej (dôležité pri poruche a jej odstraňovaní a tiež pri úvahách o možnom domino efekte pri vážnej havárii jednej z kompresorových jednotiek). Toto usporiadanie sa nakoniec osvedčilo i v praxi počas spúšťania kompresorových jednotiek do prevádzky, kedy počas najväčších mrazov, v januári 2011, bolo možné nezávisle a relatívne pohodlne vykonávať všetky úkony (funkčné skúšky) v prijateľnom prostredí. Priestorove sú protihlukové kryty navrhnuté tak, aby neboli príliš veľké a nezvyšovali požiadavky na iné technické zariadenia (napr. veľkosť hasiaceho systému CO2, ventiláciu a pod.) ale aby pritom umožnili vykonávať relatívne pohodlne údržbu a opravy kompresorových jednotiek v rozumnom priestore (obrázok č.4).

Obr. č.3 Pohľad vonkajší pohľad na usporiadanie kompresorovej jednotky.

Ostatné zariadenia 

Vzhľadom k tomu, že protihlukové opatrenia boli jedným z dôležitých a limitujúcich parametrov pri návrhu zariadení kompresorovej stanice, boli brané do úvahy pri návrhu protihlukových krytov, sacích filtrov, komínov ale i chladičov plynu. Ich parametre mali spoločného menovateľa a tým boli garantovaná hodnota hluku na úrovni 70 dBA vo vzdialenosti 1 m od zariadení. Tieto parametre boli stanovené na základe hlukovej štúdie, ktorá takto pretransformovala požiadavky životného prostredia na maximálnu hlučnosť v obci Gajary v zmysle legislatívnych požiadaviek. Napríklad u chladičov to bolo dosiahnuté kombináciou nízkootáčkových ventilátorov v spojení s riadením ich otáčok od výstupnej teploty plynu. Štandardom z pohľadu bezpečnosti je už použitie systémov elektropožiarneho, plynodetekčného a samohasiaceho zariadenia štandardne používajúceho CO2 i s rezervnou batériou tlakových flaší.

Pokiaľ sa týka upchávkového systému kompresorov, namiesto doteraz bežne používaného vzduchu (pre sekundárne vytesňovanie) je použitý dusík. Na výrobu dusíka sa používajú molekulové sitá, ktoré oddeľujú dusík zo vzduchu vyrábaného v tlakovzdušnej stanici. Výroba dusíka mala pri výstavbe technológie ešte jeden výhodný, vedľajší  efekt. Pomocou takto vyrobeného dusíka bolo možné, bez komplikácií s dovozom dusíkových fliaš, prepláchnuť všetky potrubia ešte pred ich naplnením zemným plynom.

Obr. č. 4 Pohľad na KJ vo vnútri protihlukového krytu

Prevádzkovanie kompresorových jednotiek

Kompresorové jednotky je možné prevádzkovať, tak ako je uvedené vyššie, v sériovom i paralelnom móde (obrázok č.5), ktoré umožňujú výrazne rozdielne prevádzkovanie. V sériovom móde je možné pracovať s výtlačnými tlakmi cez 20 MPa a prietokmi až do 2,7 mil.Sm³/deň. Naopak v paralelnom móde je možné dosahovať prietoky nad 3,3 mil.Sm³/deň pri výtlačnom tlaku okolo 7 MPa (pozri obrázok č. 6).

Práve toto usporiadanie umožňuje maximálne využitie kompresorových jednotiek, či už pre vtláčanie do ložiska Gajary-báden alebo do 3. stavby, alebo ťažbu z 3. stavby (ťažba z ložiska Gajary-báden, vzhľadom na vysoké tlaky v ložisku, môže prebiehať počas celého ťažobného cyklu samospádom, bez použitia kompresorových jednotiek).

Z tohto usporiadania nevyplývajú však iba výhody. V skutočnosti je potrubný dvor omnoho zložitejší (pozri obrázok 7), pretože okrem základných tokov musí zabezpečiť i ochranu kompresorovej jednotky a ostatných zariadení pred neštandardnými prevádzkovými situáciami (pumpáž kompresorov, pretlakovanie, vysoké teploty, spätný tok plynu a pod.). Ovládanie je samozrejme o to komplikovanejšie. Je tým tiež spojené nastavovanie jednotlivých sekvencií, spúšťacích, zastavovacích, ale najmä bezpečnostných. V prípade vzniku nebezpečnej situácie, kompresorová jednotka je okamžite odstavená  z prevádzky, oddelená od potrubného systému stanice a tlak plynu v systéme je okamžite znížený otvorením odfukového ventilu. V prípade nezávažných poruchových stavov je kompresorová jednotka odstavená z prevádzky, bez  okamžitého odfúknutia potrubného systému.

Pre možnosť optimalizácie výkonových parametrov počas prevádzky, respektíve využitie maximálnych výkonových možností kompresorových jednotiek, je každá z nich vybavená systémom, ktorý umožňuje merať aktuálny výkon turbíny s možnosťou jeho porovnania s aktuálnym maximálnym dostupným výkonom turbíny.

Takéto vybavenie umožňuje optimalizovať výkon kompresorových jednotiek napr. s ohľadom na rozdiel dennej a nočnej teploty vzduchu (umožní zvýšenie prepravného výkonu jednotky počas chladnejšej noci oproti teplejšiemu dňu) a tým mať možnosť využiť maximálne výkon dostupný počas celých 24 hodín.

Napríklad pri rozdiele teplôt 10°C (cez deň 30 ̊C a 20 ̊C v noci) je to rozdiel okolo 450 kW (pozri obrázok 8), čo v prietoku znamená jeho zvýšenie o 10 – 15 % pri výtlačných tlakoch 17 – 18 MPa, čo nie je určite zanedbateľná hodnota.

Takýto spôsob riadenia kompresorových jednotiek okrem iného zmenšuje i špecifickú spotrebu paliva na zatláčanie plynu.

Obr. č. 5 Zjednodušený flow diagram znázorňujúci toky plynu pri sériovom a paralelnom móde.

Obr. č.6 Principiálne výkonové krivky kompresorových jednotiek, pri konštantnom sacom tlaku, prevádzkovaných v sériovom alebo paralelnom móde

Obr. č.7 Potrubný dvor kompresorovej jednotky

Obr. 8 Závislosť výkonu turbíny od teploty okolitého vzduchu

Testovacia prevádzka

Kompresorové jednotky po vykonaní všetkých funkčných skúšok boli spustené do komplexných skúšok a následne do prevádzkových testov.

Všetky testy potvrdili vysokú spoľahlivosť kompresorových jednotiek pri dodržaní všetkých projektových parametrov.

V rámci testov boli taktiež meraním overované zákonné limity kompresorových jednotiek ale i celej kompresorovej stanice – hlučnosť a emisie. Obidve kompresorové jednotky v rámci KS ich splnili bez akýchkoľvek problémov.

Počas testov boli kompresorové jednotky prevádzkované v obidvoch módoch (sériový i paralelný), v parametroch, ktoré umožnili ostatné časti technológie a ložísk PZZP, tak i zariadenia meracej stanice Eustream.

Testy v plnej miere preukázali schopnosť kompresorových jednotiek dosiahnuť projektované parametre i vysokú flexibilitu v ich používaní a ovládaní.

Analýza bola publikovaná v marcovom čísle (3/2012) odborného plynárenského časopisu Slovgas. Autor: Stanislav Rehák a Daniel Sobolič Foto a text: NAFTA a.s.

K téme