Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Особенности и тенденция развития газотурбинных установок компрессорных станций



 

Основным типом энергопривода на КС магистральных газопроводов являются газотурбинные установки (ГТУ). Их суммарная мощность в РФ превышает 28000 МВт, что составляет более 80% мощности привода нагнетателей природного газа, эксплуатируемых на КС фирмами ОАО «Газпром». На долю газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с приводом от электродвигателей и от поршневых газомотокомпрессоров приходится менее 20% установленной на КС мощности. На первом этапе строительства КС широкое применение нашли ГТУ промышленного типа блочной поставки, отличающиеся высокой металлоемкостью, сложностью монтажа, относительно невысокими параметрами газа перед турбиной, и невысокой тепловой экономичностью. Вместе с тем эти машины обеспечили значительный, порядка 100000 часов, ресурс работы. Установки такого типа были созданы на Невском заводе им. В.И. Ленина, Уральском турбомоторном заводе и др. Альтернативным направлением энергопривода ГПА является использование легкопромышленных ГТУ авиационного и судового типа. Такие модульно-блочные ГТУ изготавливаются на заводах России и Украины в городах Пермь, Самара, Сумы, Николаев и др., а также в США, Германии, Италии и т.д. Особенности конструкции и технические характеристики ГТУ, применяемых на КС приведены в [35, 38, 40, 70 и др.]. Современные блочно-комплектные ГПА имеют ряд существенных преимуществ перед ГПА первого поколения: полную заводскую готовность что сокращает затраты на транспорт, строительство и монтаж; малую металлоемкость; высокую степень автоматизации; маневренность при изменении режима работы, включая запуск и останов машины; небольшое число обслуживающего персонала. На площадке КС каждый агрегат может устанавливаться в модульном блоке, что обеспечивает максимальную автономность в работе. Предусматривается: воздушное охлаждение масла в компактных маслоохладителях, подогрев воздуха при входе в компрессор для предотвращения обледенения при низких температурах окружающей среды, эффективное шумоглушение, специализированное оборудование для сборки и разборки узлов, комплекс технических средств контроля и регулирования, удаленные от агрегатов помещения для оперативного управления. В качестве примеров легкопромышленных ГПА могут быть приведены ГПА-Ц-16 с приводом нагнетателя от двигателя авиационного типа НК-16 СТ, а также ГПУ-16 с газотурбинным двигателем судового типа ДИС 59Л 2.

Параметры, характеристики и экономические показатели ГТУ во многом определяются особенностями термодинамического цикла и конструктивной схемы. В ГТУ для привода нагнетателя природного газа наибольшие распространение получил простейший термодинамический цикл (сжатие воздуха в компрессоре, подвод тепла в камере сгорания и расширение газа в турбине). Характерными особенностью конструкций является использование однокаскадного или двухкаскадного многоступенчатого осевого компрессора, выделение блока турбокомпрессора (газогенератора) с турбиной высокого давления и блока силовой турбины низкого давления, приводящей во вращение нагнетатель. Так, например, в газотурбинных двигателях НПП «Машпроект» (г. Николаев) ГТД 10000 применяется трехвальная конструкция с двухкаскадным компрессором и свободной силовой турбиной. Число ступеней компрессора 9 в компрессоре низкого давления (КНД) и 9 в компрессоре высокого давления (КВД), степень сжатия 19, 5; турбины компрессоров осевые одноступенчатые, силовая турбина – осевая 3, 4 или 6 – ступенчатая, левого или правого вращения, камера сгорания – трубчато-кольцевая противоточная с 10 жаровыми трубами, смазка – циркуляционная под давлением, стартер электрический – 360 В, 70 кВт, управление дистанционное автоматическое электронное, двигатель сохраняет работоспособность при температуре окружающей среды от –55о до +45оС и относительной влажности до 100% (15оС). Мощность двигателя при условиях по ISO 2314 – 10700 кВт, КПД – 0, 36, расход уходящих газов 36 кг/с, температура газа за ГТД – 470оС; частоты вращения валов – 3000, 4800, 6500 об/мин; габаритные размеры 40´ 1, 8´ 1, 7 м, масса 5 т, установленный ресурс 100000 час. При температуре окружающей среды – 5¸ -25°С мощность двигателя увеличивается, по сравнению с номинальной, до 12¸ 12, 7 МВт, а КПД до 0, 375¸ 0, 385. Модификации двигателя ГТД 15000 (ДБ-90, ДГ-90, ДА 90, ДО 90) имеют мощность 14700-17600 кВт, КПД 0, 33¸ 0, 35, расход воздуха 70¸ 73 кг/с, температуру уходящих газов 400¸ 433°С, массу 9¸ 12, 8 т. В модификациях двигателя ГТД 25000 (ДГ 80, ДН 80, ДА 80) мощность 26500¸ 28700 кВт, КПД 0, 36¸ 0, 37, расход воздуха 86¸ 93 кг/с, температура уходящих газов 475¸ 500°С, масса 16 т.

Совершенствование конструкций и параметров ГТУ для привода нагнетателей природного газа наиболее целесообразного проводить по трем основным направлением и их возможным сочетаниям.

Первое направление – это термодинамическое совершенствование цикла. В диапазоне мощностей до 5¸ 12 МВт могут быть созданы регенеративные ГТУ нового поколения с КПД до 0, 40¸ 0, 45 имеющие следующие основные особенности: сохранение таких преимуществ ГТУ простейшего цикла как быстрота запуска, высокая маневренность, модульность конструкций; обеспечение КПД на уровне 0, 40 при снижении мощности нагрузки до 50% от номинальной, высокие экологические характеристики по концентрации СО и NOx в выхлопных газах. Ограничивающим фактором в развитии таких ГТУ является увеличение их массогабаритных характеристик из-за значительных объемов генератора.

Одним из наиболее эффективных методов повышения эффективности ГТУ для КС, может быть использование термодинамического цикла с охлаждением в процессе сжатия. Так, например, применение промежуточного воздухоохладителя между КНД и КВД двукаскадных компрессоров позволит снизить расход топливного газа на транспорт на 15¸ 20% и удельные капитальные затраты на ГПА на 20¸ 30%. Создание ГТУ с промохлаждением должно проводиться с максимальным использованием отработанных осевых компрессорных ступеней и с применением современных расчетных методов и оптимизации параметров. В частности, оптимальная суммарная степень сжатия может достигнуть величины до 30¸ 40 и выше. Создание высоконапряженных компактных камер сгорания открывает путь к реализации установок с промежуточным подогревом в процессе расширения. Интересный для анализа опыт применения ГТУ с промохлаждением и промподогревом был накоплен при эксплуатации стационарных энергетических установок типа ГТ-100 Ленинградского металлического завода.

Существенное повышение топливной экономичности и удельной мощности достигается в парогазовых (ПГУ) и газопаровых установках (ГПУ). В ПТУ тепло уходящих газов расходуется на нагрев воды, образования пара и перегрев пара в паротурбинной установке. При этом полезная мощность может отбираться от силовой турбины ГТУ и от паровой турбины ПТУ. Примером проектируемой ПГУ является энергетическая ПГУ 35 НПП «Машпроект» мощностью 34 МВт на основе ГТД 25000. Установка характеризуется следующими параметрами – температура газа перед ТВД – 1240 °С, мощность ГТД – 24, 3 МВт, КПД ГТД – 0, 347, расход газа и температура газа при выходе из ГТД – 85, 4 кг/с и 482°С соответственно, котел утилизатор КУП 3100С, параметры при выходе из котла: температура газа 160°С, давление пара 2, 5 МПа, расход пара 39, 0 т/час, температура пара 368°С, паровая турбина ПТ-10 мощностью 9, 7 МВт: КПД ПГУ – 0, 477. В газопаровых установках КГПТУ 16-К на базе указанного выше двигателя ГТД 10000 теплота отработавших газов утилизируется в паровом котле. Полученный пар подается в камеру сгорания ГТД, смешивается с газовым потоком и увеличивает его мощность на 50¸ 60%. После котла-утилизатора из газопаровой смеси в контактном конденсаторе извлекается вода, которая после очистки подается в котел. КПД такой установки находится на уровне 0, 43¸ 0, 45, расход газопаровой смеси 44, 5 кг/с, параметры пара: расход 5, 6 кг/с, давление 21 МПа, температура 305°С.

Вторым направлением совершенствования ГТУ для КС является аэродинамическое совершенствование проточной части. Современные методы гидрогазодинамики, математическое моделирование, компьютерный анализ и оптимизация, стендовая доводка элементов проточной части позволяют повысить КПД компрессоров и турбин на расчетном режиме на 1¸ 2%, что приводит к существенному росту КПД и удельной мощности ГТУ. Оптимизация турбомашин может производиться такие с учетом переменного режима их работы, что дает дополнительный технико-экономический эффект в процессе эксплуатации. Для создания двигателей нового поколения проводятся научно-исследовательские и конструкторские работы по снижению коэффициентов потерь во входных, переходных и выходных патрубках, в камерах сгорания и в теплообменных аппаратов. За счет оптимизации обводов проточной части и управления пограничными слоями коэффициенты потерь могут снижаться на 10¸ 30%.

Повышение начальной температуры газа перед турбиной относится к основному направлению улучшения параметров ГТУ. Выбор и реализация в конструкциях повышенной температуры приводит к увеличению удельной работы расширения в турбинах и увеличению относительной мощности ГТУ Neуд=Ne/Gв. Подвод тепла в камере сгорания при этом увеличивается, однако благодаря выбору оптимальной повышенной степени сжатия в компрессорах , возрастает КПД ГТУ η е. Количественное увеличение η е и Neуд при росте Т3* и при реальных для ГТУ промышленного типа КПД турбин и компрессоров показано на рис. 5.9 [Ольховский Г.Г.].

Т3*=800К
pК*=20%
hе
Nе уд, кВт/(кг/с)

Рис. 5.9. Диаграмма показателей простейшего цикла

 

Наибольший эффект повышения КПД η е и удельной мощности Neуд может быть достигнут при одновременном усложнении термодинамического цикла ГТУ и повышении температуры газа Т3*. На рис. 5.10 приведены сравнительные зависимости η е от Т3* для установок простейшей схемы, с промохлаждением, а также с промохлаждением и промподогревом.

 

Рис. 5.10. Зависимость КПД η е от температуры раза перед турбинами Т3* для различных ГТУ: 1–простейшая, 2 – с промохлаждением, 3 – с промохлаждением и промподогревом, [35]

 

На рис. 5.11, в качестве примера приведены результаты параметрического анализа термодинамического цикла газопаровых установок типа КГПТУ, выполненного НПП «Машпроект» [70].

 

 

охлаждение воздухом

охлаждение насыщенным паром

 

Рис. 5.11. Зависимость КПД КГПТУ от степени повышения давления для различных температур цикла: 1 – Т03 = 1373 К, 2 – Т03 = 1473 К, 3 – Т03 = 1573 К,

4 – Т03 = 1673 К, 5- Т03 = 1873 К

 

Вопрос о выборе рациональных типов и параметров приводных ГТУ актуален для предприятий ОАО «Газпром» в связи с тем, что значительное число ГПА выработало свой ресурс – необходима замена основного оборудования. Создание установок по термодинамически усложненной схеме при одновременном повышении КПД узлов и увеличение температуры газа перед турбиной может дать дополнительный доход, измеримый миллиардами долларов.

 

5.4. Определение эффективной мощности и КПД ГТК-10-4

по различным методикам

 

5.4.1. Условные обозначения и размерности величин

QТГ – объёмный расход топливного газа, м3/ч;

– перепад давления на расходомере, МПа;

rН – плотность газа при нормальных условиях, rН = 0, 69 кг/м3;

В=Gm – массовый расход топливного газа, кг/с;

F – площадь поперечного сечения выхлопного газохода, м2;

ТSТ и РSТ – абсолютные температура и давление продуктов сгорания после ТНД, К и МПа;

Ра – атмосферное давление воздуха, МПа;

Та – температура наружного воздуха, К;

r15 – нормальная плотность воздуха, r15 = 1, 0226 кг/м3;

РИЗБ – избыточное давление воздуха, МПа;

ТZГ – температура продуктов сгорания перед ТВД, К;

a – коэффициент избытка воздуха;

МВ – расход воздуха, кг/с;

МПС – расход продуктов сгорания, кг/с;

L0 – теоретически необходимый расход сухого воздуха на 1 кг топлива;

CPПСРг, C – теплоёмкости продуктов сгорания и воздуха, кДж/кг× К;

ТСК, ТVР – температура воздуха до и после регенератора, К;

QНР – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

mm – молекулярный вес смеси газов;

E – характеристика элементарного состава топлива;

Ne – эффективная мощность ГТУ, кВт;

he – эффективный КПД ГТУ;

hКС – КПД камеры сгорания;

NОК – мощность ОК, кВт;

NТВД – мощность ТВД, кВт;

Т`S – температура продуктов сгорания за ТВД, К;

NН – мощность нагнетателя, кВт;

R – газовая постоянная, кДж/кг× К;

pТ=eТ – степень расширения продуктов сгорания в ТВД и ТНД;

РZГ – давление продуктов сгорания перед ТВД;

hЛ – лопаточный КПД турбины;

к – показатель изоэнтропы в процессе расширения;

gm – относительный расход топлива;

ТО – температура определения низшей теплоты сгорания QНР, К;

LК – удельная работа компрессора, кДж/кг;

LT – удельная работа турбины, кДж/кг;

hМ – механический КПД турбины;

Neуд – удельная мощность ГТУ, кВт;

Сe – удельный расход топлива, кг/кВт× ч;

С – коэффициент характеризующий состав газа;

Р – поправка к теплоёмкости газа, кДж/кг× К;

СР0 – среднее значение теплоёмкости газа в разрежённом состоянии, кДж/кг× К;

Т1, Т2 – температуры газа на входе и выходе из нагнетателя, К;

Dh – изменение энтальпии, кДж/кг;

rнагн – плотность газа на входе в нагнетатель, кг/м3;

n, nНОМ – рабочее и номинальное значение частоты вращения ротора ТНД, об/мин;

Nмех – механические потери мощности, кВт;

NeП – паспортная мощность ГТУ, кВт;

ТZном – номинальное значение температуры продуктов сгорания перед ТВД, К;

Таном – номинальное значение температуры наружного воздуха, К;

Раном – номинальное значение давления наружного воздуха, МПа;

kГТУ – коэффициент технического состояния ГТУ;

С` – коэффициент приведения для ГТК-10-4;

heном – номинальное значение эффективного КПД ГТУ;

РС – давление воздуха за ОК, МПа;

Б – мощностной параметр;

eК – степень сжатия воздуха в компрессоре;

К – поправочный коэффициент, учитывающий параметры воздуха перед компрессором;

РНОМ, ТНОМ – значения давления и температуры наружного воздуха при нормальных условиях, МПа, К;

А – коэффициент входного конфузора компрессора;

к – перепад давления в конфузоре перед компрессором, МПа;

NeНОМ – номинальное значение эффективной мощности, кВт.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-10; Просмотров: 1236; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.044 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь