Газотурбинные установки для транспорта природного газа (пособие, 2012 год) - часть 8

5.3. Тепловой расчет регенератора ГТУ

Введение в схему ГТУ регенератора в сильной степени повышает её экономичность. Вместе с тем, наличие регенератора усложняет ГТУ, увеличивает её вес и габариты. Поэтому при проектировании регенераторов большое внимание уделяется простоте и компактности конструкции. В ряде газотурбинных установок требования большой компактности установки и малых её габаритов приводят даже к необходимости отказа от применения регенератора. С другой стороны, весьма важно, чтобы гидравлические сопротивления регенератора были бы по возможности минимальными, так как выгоды от применения регенерации в значительной степени снижаются из-за дополнительных сопротивлений, вызванных введением регенератора.

6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГТУ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА КОМПРЕССОРНЫХ И ТЕПЛОВЫХ СТАНЦИЯХ

На компрессорных станциях (КС) газопроводов турбоприводной газоперекачивающий агрегат (ГПА) состоит из центробежного нагнетателя и соосно расположенной с ним газотурбинной установки (ГТУ). Валы роторов нагнетателя и силовой турбины ГТУ соединяются между собой либо через промежуточный вал с помощью соединительных зубчатых муфт, либо через повышающий редуктор, как правило, одноступенчатый с шевронной передачей.

Из рассмотренного принципа действия газотурбинных установок следует, что работа установок возможна лишь при функционировании ТВД и осевого компрессора ОК. У неработающего агрегата эти элементы бездействуют. Следовательно, пуск газотурбинных установок в работу должен осуществляться специальным устройством, приводящим в действие ТВД и ОК.

Таким устройством на ГТУ является турбодетандер (ТД) или пневмодвигатель - расширительная газовая турбина, приводимая в действие упругой энергией пускового газа. Вал турбодетандера находится в зацеплении с валом турбины высокого давления ТВД через зубчатый редуктор с расцепным устройством.

При подаче пускового газа в турбодетандер последний приводит во вращение вал ТВД и осевой компрессор. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания, куда одновременно подается топливный газ, в камере сгорания включается запальная горелка, затем основная рабочая горелка - образуются продукты сгорания и поступают на ТВД и ТНД. Г азотурбинная установка приходит в действие. С набором турбиной высокого давления определенной частоты вращения и мощности, достаточной для обеспечения требуемой скорости вращения вала осевого компрессора, расцепное устройство автоматически отсоединяет вал ТД от вала ТВД. После этого в течение некоторого времени турбины «раскручиваются» и набирают мощность, затем выходят на рабочий режим.

Турбодетандеры являются достаточно высокооборотными машинами. Поэтому во избежание поломок в элементах ГТУ (в результате «прихвата» опорных шеек валов в подшипниковых узлах, задевания ло-паточного аппарата осевых компрессоров и турбин о статоры агрегатов и т. п.) пуску ГТУ от турбодетандера предшествует проворачивание валов установки валоповоротными устройствами, находящимися на каждом валу ГТУ.

Каждое валоповоротное устройство состоит из электродвигателя и понижающего червячного редуктора со специальным расцепным устройством.

Валоповоротные устройства включаются перед пуском ГТУ, выводят массивные роторы установки из состояния покоя и тем самым облегчают последующий запуск турбодетандера. При работающих вало-поворотных устройствах проверяется возможность включения турбодетандера и, если этому нет препятствующих моментов в виде «прихватов», задеваний и т. д., производят пуск турбодетандера ТД и ГТУ в целом. При вхождении ТД в работу и увеличении частоты вращения роторов ГТУ расцепные устройства валоповоротных механизмов автоматически отключают валы электродвигателей от валов турбин, затем прекращается электропитание двигателей.

Важную роль играют валоповоротные устройства и при остановке ГТУ. После прекращения подачи топлива и выключения камеры сгорания валоповоротное устройство включается и плавно снижает скорость вращения с учетом изменения температуры материала роторов.

В качестве пускового и топливного газа ГТУ на КС используется транспортируемый станциями газ после его соответствующей подготовки. Топливный газ, как отмечалось выше, сжигается в камерах сгорания газотурбинных установок, пусковой после совершения им работы в турбодетандерах выбрасывается в атмосферу. При этом каждый пуск одного агрегата сопровождается сбросом в атмосферу до 10 тонн газа, что отрицательно сказывается на окружающей среде и приводит к дополнительным потерям транспортируемого газа - ценного топлива и химического сырья.

Газотурбинные установки, используемые в газовой промышленности, различаются не только тепловыми схемами, но и конструктивным исполнением, зависящим от первоначального назначения ГТУ. В этом плане различают три вида установок: стационарные газотурбинные установки; ГТУ на базе авиационных двигателей; ГТУ на базе судовых двигателей.

Стационарные газотурбинные установки производятся специально для газовой промышленности. Основными создателями этого вида ГТУ являются Уральский турбомоторный завод (г. Екатеринбург) и Невский машиностроительный завод (г. Санкт-Петербург). К настоящему времени выпушены следующие типоразмеры ГТУ подобного вида: ГТ-700-4,

ГГ-700-5, ГТК-5, ГТ-750-6, ГТ-6-750, ГТН-6, ГТН-9-750, ГТК-10, ГТК-16, ГТН-16, ГТК-25, ГТН-25.

Маркировка стационарных ГТУ содержит аббревиатуру их названия и некоторые технические характеристики установок: ГТ - газовая турбина; ГТК - газовая турбина для привода компрессора; ГТН - газовая турбина для привода нагнетателя; трехзначная цифра - температура продуктов сгорания перед ТВД в градусах Цельсия; одно- или двузначная цифра - мощность установки в мегаваттах.

Особенностями первых поколений ГТУ являлись достаточно большие габариты и масса, потребность в больших капитальных помещениях, как правило, с двумя уровнями установки оборудования (ГТУ мощностью до 6 МВт включительно). Последние по времени создания типоразмеры ГТУ (ГТН-16, ГТИ-25) не имеют многих из перечисленных недостатков своих предшественниц.

Все стационарные установки, за исключением ГТ-700-4 и ГТК-25, двухвальные (ГТ-700^4 - одновальная, ГТК-25 - трехвальная). Камеры сгорания стационарных ГТУ индивидуальные, находятся вне корпусов турбин и представляют собой либо одну камеру цилиндрической формы, установленную вертикально или горизонтально, либо несколько секционных камер малого объема, равномерно расположенных по периметру ТВД (ГТН-16 и ГТН-25).

Газотурбинные установки на базе авиационных двигателей являются продуктом конвертирования отработавших свой нормативный срок авиационных турбин. Перед установкой авиационных двигателей на ГПА они переводятся с жидкого топлива на газовое.

Для транспорта газа используются главным образом двигатели авиалайнеров Ту 114 и Ту 154 - НК-12МВ и НК-8-2У с маркировкой после конвертации НК-12СТ и НК-16СТ - мощностью соответственно 6,3 МВт и 16 МВт. Первый из приведенных двигателей входит в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3, второй - агрегата ГПА-Ц-16, цифры, в обозначении которых указывают на мощность двигателей в мегаваттах.

Отличительными особенностями ГГУ с авиационными двигателями является наличие у них встроенных в корпуса турбин камер сгорания кольцевой формы и большее количество валов по сравнению со стационарными ГТУ (два у ГПА-Ц-6,3 и три у ГПА-Ц-16). Кроме того, подобные ГПА более компактны и менее массивны, чем стационарные.

Специфика первоначального назначения авиационных двигателей, используемых для привода нагнетателей в газовой промышленности, накладывает на оснащенные ими ГПА ряд особенностей. Они, в частности, состоят в лучшем оснащении подобных агрегатов контрольноизмерительными приборами и средствами автоматики.

Газотурбинные установки на базе судовых двигателей в настоящее время представлены в основном одним типоразмером - ГПУ-10 (газоперекачивающая установка мощностью 10 МВт). ГПУ-10 присущи все особенности и достоинства агрегатов с авиационными двигателями -трехвальная турбоустановка, малый вес и габариты, блочная поставка на площадку КС и т. д.

Рассмотренные разновидности турбоприводных ГПА могут быть дополнены группой импортных агрегатов, которую составляют: ГТК-10И, ГТК-25И, Каберра-182.

Маркировка импортных ГПА выполняется так же, как и отечественных - по входящей в агрегат газотурбинной установке, и расшифровывается аналогично. Для отличия импортного оборудования от отечественного к маркировке первого добавляется буква «И», что означает «импортное».

Зарубежные машины в целом более совершенны, чем отечественные стационарные, и имеют многие преимущества, свойственные ГПА с конвертированными двигателями.

Основные технические характеристики ГПА с приводом от газовых турбин приведены в табл. 6.1.

На тепловых электростанциях газотурбинные установки используют в качестве приводов электрогенераторов.

В качестве примера рассмотрим вариант использования в качестве привода электрогенератора газотурбинную установку ГТУ-12ПГ-2.

Двухвальная установка простого открытого цикла создана на базе газотурбинного двигателя ПС-90ГП-1 (производство Пермского моторостроительного комплекса). Температура корпусов в ГТУ снижена за счет подачи дополнительного атмосферного воздуха под кожух установки. Расход воздуха - 10... 12 м3/с.

Запуск ГТУ производится автоматически по заданному алгоритму. В комплексе работ по обеспечению взрывобезопасности электромеханический привод ВНА компрессора заменен гидравлическим. В качестве рабочего тела для запуска используется гидрожидкость.

Впервые в истории отечественного машиностроения для запуска газотурбинной установки использован гидропривод. Запуск осуществляется гидромотором, который устанавливается на нижней коробке приводов двигателя.

Двигатель имеет модульную конструкцию. Модули газогенератора (ГГ) и силовой турбины (СТ) соединяются друг с другом по наружным фланцам на силовых корпусах. Собранный двигатель на подмоторной раме монтируется на силовой раме энергоблока.

На корпусе компрессора турбины газогенератора и СТ предусмотрены специальные смотровые лючки для визуально-оптического контроля газовоздушного тракта двигателя. Жаровые трубы камеры сгорания также доступны для осмотра.

Из проточной части за воздушным компрессором ГТД предусмотрены отборы подогретого сжатого воздуха в противообледенительную систему двигателя и в систему подогрева циклового воздуха ВОУ.

В системе регулирования подачи топлива к ГТУ последовательно установлены два отсечных быстродействующих газовых клапана типа GSOV25 фирмы Woodward. Стопорный клапан открывается при достижении условий зажигания и закрывается при всех видах останова. При исчезновении электропитания ГТУ и/или потере управляющего сигнала оба отсечных клапана прекращают подачу топливного газа.

САУ ГТУ - обеспечивает контроль и управление двигателем на всех режимах работы.

В газотурбинном двигателе применен осевой 13-ступенчатый компрессор. В его составе - регулируемый входной направляющий аппарат (НА) и поворотные направляющие лопатки на 1-й и 2-й ступенях, а также клапаны перепуска воздуха из-за промежуточных ступеней и последней ступени компрессора. Детали проточной части компрессора имеют эрозионно-стойкое покрытие.

Камера сгорания - трубчатокольцевая, с двенадцатью жаровыми трубами и общим газосборником. Осевая двухступенчатая турбина газогенератора имеет усиленный корпус. При ее изготовлении использованы коррозионно-стойкие и жаропрочные материалы.

В двигателе предусмотрен корпус промывки с коллекторами и форсунками системы промывки газовоздушного тракта. Дополнительно он оснащен датчиками измерения параметров воздуха на входе в компрессор и датчиком противообледенительной системы.

Силовая турбина - осевая, двухступенчатая, имеющая с ротором газогенератора только газодинамическую связь. Охлаждение корпусов турбины осуществляется путем продувки внутренних каналов воздухом, отбираемым от промежуточной ступени компрессора.

Корпус свободной турбины стыкуется с выходным устройством с помощью двух поясов упругих пластин, которые перекрывают щели между кожухами опоры свободной турбины и выходным устройством ГТУ.

Кожух ГТУ представляет собой каркасно-панельную конструкцию, устанавливаемую на единую раму силового блока. В качестве шумотеплоизолирующего наполнителя панелей используются маты из стеклоткани с негорючим наполнителем.

Конструкция кожуха обеспечивает доступ обслуживающего персонала к двигателю и боковую выкатку двигателя наружу. Крыша двигательной части кожуха - съёмная.

В составе энергоблока применен синхронный двухполюсный турбогенератор ТС-12-2РУХЛЗ с безщеточной диодной цифровой системой возбуждения, со встроенными трансформаторами тока и напряжения. В процессе реализации проекта генератор был несколько доработан: улучшена работа лабиринтных уплотнений, отрегулирована работа масляного клина в подшипниках скольжения. Система смазки -циркуляционная, под давлением.

Турбогенератор имеет воздушную систему охлаждения по разомкнутому циклу с возможностью рециркуляции. Режим рециркуляции обеспечивается электроприводными регулирующими клапанами. Вентиляторы охлаждающего воздуха установлены на валу ротора. В качестве охлаждающего тела подается атмосферный воздух, подготовленный в блоке воздухоочистки на базе циклонных элементов.

В составе энергоблока применен одноступенчатый редуктор на 6 500...3 ООО об/мин. Зубчатые колеса шевронного типа выполнены из легированной стали, рабочая поверхность зуба закалена и зацементирована. Корпус - сварной, маслонепроницаемый, с подшипниками скольжения. Система смазки зубчатых колёс и подшипников - принудительная, циркуляционная.

Контроль вибрационного состояния двигателя, редуктора и генератора осуществляет система виброконтроля на базе технических средств серии 3500 фирмы Bently Nevada. Датчики вибрации поставляются в составе ГТУ, редуктора и генератора. Один электронный блок системы контроля вибрации поставляется на два или три энергоблока и размещается в одном из шкафов САУ.

В составе ГТУ-12ПГ-2 применены две гидравлически не связанные между собой системы маслообеспечения: газотурбинного двигателя и объединенная система редуктора и турбогенератора.

Обе маслосистемы - принудительные, циркуляционные, используют масло МС-8П и ТП-22, соответственно. Все элементы, за исключением АВОМ, расположены рядом с энергоблоком. При работе ГТД подача и откачка масла от опорно-уплотнительных узлов осуществляется маслонасосами, имеющими привод от коробки приводов двигателя.

Система маслообеспечения редуктора и генератора включает в себя блок маслоснабжения (БМС); аппарат воздушного охлаждения масла, установленный на линии подачи масла к опорам редуктора и генератора и др. Рабочий объем БМС - 3 700 литров, он обеспечивает работу оборудования в течение 3 200 часов без дозаправки.

Заправка маслобаков производится от станционной системы. Тонкость фильтрации составляет 10 мкм. Для визуального контроля уровня масла на маслобаке установлен указатель уровня с градуированной шкалой. Маслобак разделен на два отсека-для грязного и очищенного масла.

Очистка воздуха в ВОУ имеет две ступени: в блочных мультицик-лонных фильтрах и тонкая очистка в тканевых фильтрах.

Воздухоочистительное устройство оснащено байпасными клапанами, которые открываются при предельном значении перепада давления в ступенях очистки. Необходимость в техобслуживании определяется по перепаду давления циклонной ступени очистки. ВОУ рассчитано на совместную работу с системой подогрева циклового воздуха, которая предотвращает обледенение элементов воздухоочистительного устройства.

Горячий воздух для системы подогрева подается от 13-й ступени компрессора ГТУ. Система включается и выключается автоматически, по сигналу САУ энергоблока или дистанционно - с пульта управления энергоблоком.

Внутри корпуса воздухоочистительного устройства со стороны всасывания размещен шумоглушитель. Для работы ВОУ не требуется затрат электроэнергии.

Выхлоп ГТУ - вертикальный, осевой. В состав системы входят: выхлопная труба высотой 20 м, шумоглушитель выхлопа, компенсаторы тепловых деформаций, выхлопной газоход. Шумоглушение осуществляется с помощью кассет, установленных в шахматном порядке. Газоход, соединяющий выхлопное устройство силового блока с шумоглушителем и выхлопной трубой, выполнен трехслойным (сталь-звукотеплоизоляционные маты-сталь). В качестве изоляционного материала используется базальтовое стекловолокно.

Для осмотра внутренних поверхностей выхлопного тракта и проведения монтажных и ремонтных работ системы выхлопа предусмотрен люк, а для периодических замеров содержания вредных выбросов в выхлопных газах - штуцеры для ввода зонда.

Система поддерживает требуемый температурный режим под кожухом силового блока и осуществляет его вентиляцию. Регулирование расхода воздуха на охлаждение и вентиляцию ГТУ обеспечивается частотным регулированием скорости вращения электро-двигателей вентиляторов по командам САУ.

Применение звукотеплоизоляции снижает уровень шума и предотвращает образование конденсата на воздуховодах. Система работает по командам САУ энергоблока. Электротехническое оборудование в составе имеет взрывозащищенное исполнение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 23290-78. Установки газотурбинные стационарные. Термины и определения.

2. ГОСТ 4.433-86. Установки газотурбинные стационарные. Номенклатура показателей.

3. Козаченко А.Н., Никишин В.И., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта газов: учебное пособие. - М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001. -400 с.

4. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки: учебник для вузов. - М.: Недра, 1992.-238 с.

5. Поршаков Б.П., Апостолов А.А., Козаченко А.Н., Никишин В.И. Газотурбинные установки на газопроводах. - М: ФГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. - 216 с.

6. Пономарев П.С. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок: учебное пособие. - Уфа: ГОУ ВПО УГНТУ, 2003. -88 с.

7. Белоконь Н.И., Поршаков Б.П. Газотурбинные установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов. - М.: Недра, 1969.- 112 с.

8. ГОСТ 17140-84. Установки газотурбинные стационарные для привода нагнетателей природного газа. Основные параметры.

9. ГОСТ 21199-82. Установки газотурбинные. Общие технические требования.

10. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки: учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1979. — 254 с.

11. Лофевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: пер. с англ. - М.: Мир, 1986.-266 с.

12. Нигматуллин И.Н. и др. Тепловые двигатели: учеб. пособие для вузов / под ред. И.Н. Нигматуллина. - М.: Высш. школа, 1974. - 375 с.

13. Паровые и газовые турбины: учебник для вузов / М.А. Трубилов, Г.В. Арсеньев, В.В. Фролов и др.; под. ред. А.Д. Костюка,

В.В. Фро-лова. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 352 с.

14. Повышение эффективности использования газа на компрессорных станциях / В.А. Динков, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев, П.М. Му-жиливский. - М.: Недра, 1981. - 296 с.

15. Поршаков В.П., Халатин В.И. Газотурбинные установки на магистральных газопроводах. - М.: Недра, 1974. - 160 с.

16. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин. - М.: Недра. - 182 с.

17. Яблоник P.M. Газотурбинные установки. - М.: Машгиз, 1959.-408 с.

18. СТО Газпром. «Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов». - М.: ВНИИГАЗ, 2006. - 192 с.

19. Абруков B.C. Физика горения // Курс лекций [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.chuvsu.ru/~victor/maison/lekcija.htm (дата обращения: 28.04.2009).

20. Дашунин Н.В., Иванов В.А., Новиков А.И., Студеникин А.И., Сухов А.И., Трофимов В.И. Устройство для сжигания топлива. Патент РФ № 2199698 от 27.02.2003г

21. В.Ф. Рахманин, В.В. Сагалович. Разработка технологий пайки камер сгорания отечественных ЖРД // «Двигатель». - № 1. - 2009. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://engine.aviaport.ru/main.htm. (дата обращения: 10.04.2009).

22. OilRegion.ru: Основы нефтегазового дела [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.oilregion.ru/category/organizaciya-processa-goreniya-v-kamerax-sgoraniya-trd (дата обращения: 20.05.2009).

23. С.Ф. Жданов, А.З. Шайхутдинов и др. Расчетно-экспериментальная оптимизация низкоэмиссионных горелочных устройств // Газотурбинные технологии. - № 4. - 2007 - С. 8-13.

24. И.Ф. Кравченко, В.Е. Костюк и др. Конструкция и рабочий процесс камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей: учеб. пособие. - Харьков: Изд-во Харьк. Авиац. институт, 2007. - 89 с.

25. Попов Л.А., Сухов А.И. Способ сжигания топлива с воздухом и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2098717 от 10.12.1997 г.

26. Васин О.Е., Прокопец А.О., Пошелюзный А.Н. Опыт эксплуатации агрегатов PGT-10 в ООО «Тюменьтрансгаз» // Газотурбинные технологии. - № 8. - 2007. — С. 6-10.

27. Сударев, В. Тихоплав, Г. Шишов, В. Катенев. Высокотемпературные двигатели с применением конструкционной керамики // Газотурбинные технологии. - № 3. - 2000. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.gtt.ru/content/view/114/38/. (дата обращения: 30.05.2009).

28. СО 153-34.17.448-2003 «Инструкция по продлению срока службы металла основных элементов турбин и компрессоров энергетических газотурбинных установок». 2003. - 49 с.

29. Мубояджян С.А., Головкин Ю.И. Теплозащитные покрытия для деталей перспективных газотурбинных двигателей: сб. трудов I межведомственного научно-технич. семинара по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ. «Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ». - М.: ЦИАМ, 2004.

30. Ведешкин Г.К., Свердлов Е.Д. Разработка принципов организации рабочего процесса и облика низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ на природном газе при вариации времени пребывания газа в камере // Газотурбинные технологии. - № 4. - 2009. - С. 14-17.

31. Газотурбинные установки: учебное пособие / А.В. Рудаченко, Н.В. Чухарева, С.С. Байкин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 139 с.

32. Пчелкин В.В., Лисицына О.В., Подлегаев С.Н. и т. д. Воздухоочистительные устройства - этапы развития // Газотурбинные технологии.-№3.-2007.-С. 14-18.

33. Жохов В., Шрот Т., Кагна М. обеспечение качественной фильтрации воздуха для ГТУ // Газотурбинные технологии. - № 8. - 2007. -

С. 22-27.

34. Акопова Г.С., Косолапова Е.В. Эмиссия парниковых газов от газотранспортной системы ОАО «Газпром» // Газотурбинные технологии. - 2009. - № 2. - С. 34-35.

35. Абруков B.C. Физика горения // Курс лекций [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.chuvsu.ru/~victor/maison/lekcija.htm (дата обращения: 28.04.2009).

36. Дашунин Н.В., Иванов В.А., Новиков А.И., Студеникин А.И., Сухов А.И., Трофимов В.И. Устройство для сжигания топлива. Патент РФ № 2199698 от 27.02.2003 г.

содержание .. 6 7 8