Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке - файл n1.doc

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке
скачать (35174.8 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.doc17611kb.13.09.2004 09:14скачать
n2.docскачать
n3.doc68kb.13.09.2004 09:14скачать
n4.doc118kb.13.09.2004 09:14скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10





Рисунок 2 - Газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-6,3С



Рисунок 3 - Газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16С







Риунок 4 - Газоперекачивающий агрегат ГПУ-16К "Водолей"

Использование тепла продуктов сгорания двигателей характерно для газоперекачивающих агрегатов. Довольно часто, а в северных районах преимущественно все агрегаты оснащаются утилизаторами, позволяющими получать значительное количество тепловой энергии в виде горячей воды, подогреваемыми уходящими газами. Однако совершенно особое место среди ГПА занимает ГПУ-16К "Водолей", созданный совместно с ОАО "СМНПО им. М.В. Фрунзе". Схемой (рис.5) и конструкцией агрегата предусмотрена паровая утилизация тепла выхлопа ГТД, экологический и энергетический впрыск пара за компрессором высокого давления и за зоной горения камеры сгорания двигателя (с получением дополнительно 60% мощности в силовой турбине двигателя), а также регенерация в конденсаторе, располагаемом за утилизационным котлом, воды, подаваемой в двигатель и образующейся при сгорании углеводородного топлива.





Рисунок 5- Принципиальная схема установки "Водолей"


Внедрение приводов, реализующих принцип "Водолей", разработанный для всех двигателей III и IV поколений, позволит существенно повысить их экономичность и снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания ниже современных требований.
Вторым по количеству поставляемых двигателей является направление по их использованию при модернизации эксплуатирующихся ГПА с заменой устаревших приводов.

ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект" стояло у истоков теперь уже широко распространённого метода реконструкции действующих газопроводов путём глубокой модернизации ГПА. Такой метод позволяет, заменив существующие привода, модернизировав нагнетатель, системы, обслуживающие ГПА, используя существующие здания, сооружения, фундаменты, кондиционное технологическое оборудование, инфраструктуру, часто без остановки цеха в условиях действующего производства, получить в результате качественно новый, современный компрессорный цех. В некоторых случаях, например, при трудностях с отводом площадки под новое строительство, в условиях гор, Крайнего Севера и др. экономия средств при модернизации составляет до 40% от стоимости строительства нового цеха.

С 1991 г. предприятием разработано и реализовано 34 проекта модернизации ГПА с использованием созданных им двигателей II, III и IV поколений. С двигателями III и IV поколений разработаны (или находятся в стадии разработки) проекты модернизации следующих ГПА:

 ГПА-Ц-6,3 разработки ОАО "СМНПО им. М.В. Фрунзе" с заменой авиационных конвертированных двигателей НК-12СТ на КС Купянск (ДК "Укртрансгаз"), КС Октябрьская, Гаврилов Ям, Чаплыгин (ООО "Мострансгаз" Российская Федерация)*;

 ГТ-750-6 разработки НЗЛ с заменой индустриального привода и нагнетателя (предполагалась модернизация ГПА на КС Лубны ДК "Укртрансгаз");

 ГТК-10-4 разработки НЗЛ с заменой индустриального привода (на КС Кировоградская ДК "Укртрансгаз)*;

 ГПУ-10 разработки ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект" с заменой корабельного конвертированного двигателя ДР59Л на КС Ромны (ДК "Укртрансгаз")*;

 ГТК-10И фирмы AEG "Kanis" с заменой индустриального двигателя серии MS3002 фирмы "General Electric" для КС Александровская (ДК "Укртрансгаз");

 ГПА-Ц-6,3 разработки ОАО "СМНПО им. М.В. Фрунзе для КС Кардам Булгаргаз (Болгария);

 "Coberra-182" фирмы "Coоper Rolls" с заменой газогенератора "Avon" и силовой турбины на КС Богандинская и Туртасская (ООО "Сургутгазпром")*;

 "Coberra-182" фирмы "Coоper Rolls" с заменой газогенератора "Avon", силовой турбины и сменной проточной части (СПЧ) нагнетателя (для повышения мощности до 16 МВт) на КС Богандинская и Туртасская (ООО "Сургутгазпром")*;

 "Coberra-182" фирмы "Coоper Rolls" на КС Самсоновская и Ярковская (ООО "Сургутгазпром")*;

 ГТК-10-4 разработки НЗЛ с заменой индустриального привода и сменной проточной части нагнетателя 370 (для повышения мощности до 16 МВт) на КС Вынгапуровская, Туртасская (ООО "Сургутгазпром")*;

 ГТК-10-4 разработки НЗЛ с заменой индустриального привода и сменной проточной части нагнетателя 235 (для повышения мощности до 16 МВт) на КС Заволжская (ООО "Волготрансгаз")*;

 ГТК-10-4 с заменой индустриального привода и сменной проточной части нагнетателя 520 (для повышения мощности до 16 МВт) для КС Приволжская (ООО "Югтрансгаз");

 ГТК-10-4 с заменой индустриального привода и сменной проточной части нагнетателя 370 (для повышения мощности до 16 МВт) с установкой двигателя в звукоизолирующем контейнере для КС Туртасская (ООО "Сургутгазпром");

 ГТК-10-4 с заменой индустриального привода и нагнетателя 370 на 398 с установкой двигателя в контейнере для КС Урдома, Микунь, Нюксеница, Вуктыл (ООО "Севергазпром");

 ГПА-25/76 (установочная серия) разработки НЗЛ с заменой индустриального привода на КС Бар, Гребинковская (ДК "Укртрансгаз")*;

 ГПА-25/76 на КС Софиевская, Ромны (ДК "Укртрансгаз")*;

Примечание. * Модернизированные агрегаты введены в эксплуатацию либо КМЧ отгружены заказчику.

На фотографиях (рис.6 и 7) представлены модернизированные агрегаты ГТК-10-4 (с двигателем UGT 10000 (ДН70Л) на КС Кировоградская) и ГПА-25/76 (с двигателем UGT 25000 (ДН90Л1) на КС Софиевская).





Рисунок 6 - Модернизированный агрегат ГПА-25/76 на КС Софиевская



При модернизации агрегата ГТК-10-4 могут использоваться двигатели мощностью 10 МВт - UGT 10000 (ДН70Л), либо 16 МВт - UGT 15000 (ДГ90Л2, ДГ90Л2.1). Предыдущие проекты модернизации предусматривали установку двигателей в лёгком кожухе панельно-арочного типа в машзале. Однако необходимость снижения вредного воздействия шума двигателя на обслуживающий персонал потребовала установки двигателя в акустическом контейнере. На КС Кировоградская в такой унифицированный контейнер, в сборе со смонтированной на нём воздухозаборной камерой составляющие турбоблок интегральной конструкции, устанавливается 10-мегаватный двигатель, на КС Туртасская, Микунь, Вуктыл, Нюксеница в таком же контейнере устанавливается 16-мегаватный двигатель.




Рисунок 7 - Модернизированный агрегат ГТК-10-4 на КС Кировоградская


Требования по дополнительному снижению уровня шума двигателя (от корпуса, на всасывании и на выхлопе) привели к необходимости введения в состав КМЧ для модернизации агрегатов ГПА-25/76:

На фотографии (рис.8) приведена макетная сборка блоков двигателей с акустическими укрытиями в сборочном цеху ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект".





Рисунок 8 - Макетная сборка турбоблоков с акустическими укрытиями для модернизации агрегатов ГПА-25/76

На фотографии (рис.9) приведена сборка турбоблока агрегата ГПУ-10 с двигателем UGT 10000 (ДН70Л) вместо двигателя второго поколения ДР59Л перед его отправкой на компрессорную станцию Ромны (ДК "Укртрансгаз").





Рисунок 9 - Сборка турбоблока ГПУ-10 для модернизации агрегата на КС Ромны


ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект", используя выпускаемые им серийно высокоэффективные двигатели III и IV поколений, теплотехнические, экологические, эксплуатационные характеристики и показатели надёжности которых непрерывно совершенствуются, взаимодействуя с разработчиками нагнетателей по замене СПЧ или нагнетателей целиком, применяя новые микропроцессорные системы автоматического управления и регулирования, в состоянии модернизировать любой эксплуатирующийся газоперекачивающий агрегат с приданием ему совершенно новых, ранее недостижимых качеств.
При строительстве новых и реконструкции существующих компрессорных станций, совершенствовании инфраструктуры газотранспортных сетей, модернизации и развитии производств по переработке газа целесообразным является развитие и совершенствование собственной энергетической базы, основанной на использовании энергоблоков малой и средней мощности с газотурбинным приводом.

Все приведенные в табл.1 двигатели (и конвертированные корабельные и лёгкого индустриального типа, специально разработанные для наземного применения) могут успешно работать в качестве приводов электрогенераторов с мощностью от 2,5 до 25 МВт. Причём работать в качестве основных, а не аварийных источников электроэнергии, вырабатывая дополнительно ещё и значительное количество тепла в виде горячей воды. На фотографиях (рис. 10-13) представлены энергоблоки газотурбинных электростанций:

с использованием двигателя UGT 6000 (ДВ71Л) - на Яблунёвском газоперерабатывающем заводе (Полтавская область, Украина) мощностью 6 МВт (аналогичные энергоблоки эксплуатируются на газопромыслах у г. Заполярный Ямало-Ненецкого округа (Российская Федерация);

на брненском механическом заводе (г. Брно, Чехия) мощностью 2.5 МВт с использованием двигателя UGT 2500 (Д049);

в моторостроительном ОАО "Сатурн" (г. Рыбинск, Российская Федерация) мощностью 2.5 МВт с использованием двигателя UGT 2500 (Д049).




Рисунок 10 - Энергоблок газотурбинной электростанции на Яблунёвском ГПЗ






Рисунок 11 - Газотурбинная электростанция в г. Заполярный







Рисунок 12 - Газотурбинная электростанция на Брненском механическом заводе





Рисунок 13 - Энергоблок газотурбинной электростанции в ОАО "Сатурн

"

Двигатели UGT 2500 (Д049) выпускаются ОАО "Сатурн" по приобретённой у ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект" лицензии.

Созданы и введены в эксплуатацию энергоблоки газотурбинных электростанций мощностью 16 и 25 МВт для Белорусского цементного завода и Березовской ГРЭС (Беларусь), в которых применены двигатели UGT 15000 и UGT 25000.

Энергоблоки для газотурбинных электростанций предусматриваются, прежде всего, в блочно-комплектном или блочно-контейнерном исполнении, что существенно снижает трудоёмкость и сокращает сроки монтажа, пуско-наладки и введения электростанции в эксплуатацию, позволяет комплектовать их из унифицированных элементов, поставляемых в полной заводской готовности.

Внедрение собственной энергетики на компрессорных станциях и других объектах газоперерабатывающей промышленности и газотранспортной сети позволит существенно повысить устойчивость их работы и, учитывая наличие собственного топливного газа, подготовленного персонала, инфраструктуры, снизить затраты на их обеспечение электроэнергией и теплом.

С целью использования энергии сжатого газа при его редуцировании перед подачей в газораспределительные сети на ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект" разрабатываются детандер-генераторные установки, позволяющих преобразовывать работу расширения, выделяемую газом в электроэнергию. Первая такая установка ДГА-2500СД (см. рис 13) с номинальной мощностью на клеммах электрогенератора 3000 кВт, изготовленная по контракту с ЗАО "ГД "Галеон", поставлена на Новгородскую ТЭЦ в город Великий Новгород.




Рисунок 14 - Детандер-генераторны й агрегат для Новгородской ГРЭС




ГП НПК газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект",


SUMMARY
Data on gas turbine engines for land application, developed by GTR PC “Zorya-Mashproekt” as well as their use in gas pipelines are presented.


Создание современных систем автоматического управления в специализированном научно-производственном центре ОАО СНПО
Сергеев С.П., Степанюк Г.П., Комлык М.Ю., Птащенко А.А.

ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе», г. Сумы, Украина
ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» ОАО СНПО имеет большой опыт поставки, монтажа, наладки и сервисного обслуживания систем автоматического управления и регулирования (САУ и Р) газоперекачивающих агрегатов и оборудования компрессорных станций.

Опыт ОАО СНПО по системам управления включает в себя:

- поставку и сервисное обслуживание 150 релейных САУ, которые эксплуатируются с 1976 года.

- Адаптацию и сервисное обслуживание 1200 САУ и Р на ПТС А705-15М производства АО «Львовприбор», АО «Мукачевприбор», на различных типах ГПА, которые эксплуатируются с 1980 г, в том числе в Болгарии, Польше и Иране.

- Поставку и сервисное обслуживание 256 САУ и Р на ПТС МСКУ производства Система-Сервис, Система-Газ, АО «Импульс» на различных типах газоперекачивающих агрегатов, газлифтных и транспортных КС, которые эксплуатируются с 1989 г.

- Изготовление, поставку и сервисное обслуживание 120 САУ и Р на ПТС серии 4 и 5 для газоперекачивающих агрегатов и станционного оборудования, которые эксплуатируются с 1993 г., в том числе в Иране, Турции, Аргентине.

- Изготовление, поставку и сервисное обслуживание 36 САУ и Р на ПТС Модикон, Портвелл, Ад Линк для автомобильных газозаправочных станций, газлифтных КС с поршневыми компрессорами, которые эксплуатируется с 2000 г.

- Изготовление, поставку и сервисное обслуживание 9 САУ и Р на ПТС Дженерал Электрик Фанук для электростанций и компрессорных станций, которые эксплуатируются с 2001 г.

- Изготовление, поставку и сервисное обслуживание 3 САУ и Р на ПТС МСКУ-5000 с контроллерами Сименс Германия для компрессорной станции в Иране.

Для выполнения указанных выше работ в ОАО СНПО создан научно-производственный центр систем автоматического управления, в котором имеется:

  1. Конструкторский отдел автоматики и КИП, включая лабораторию САУ ГПА, для разработки документации на САУ и Р, ее привязки к газоперекачивающим агрегатам и КС, разработки матобеспечения и авторского сопровождения при изготовлении, монтаже, наладке и эксплуатации.

Лаборатория САУ оснащена специализированными стендами для проверки матобеспечения и обучения эксплуатационного персонала, на программно-технических средствах серии 4 и Модикон.

  1. Конструкторский отдел автоматизированных систем управления, включая:

- лабораторию технических средств и постановки задач;

- лабораторию программирования;

Указанные лаборатории занимаются выбором технических средств и разработкой программного обеспечения САУ и Р компрессорных станций, авторским сопровождением при монтаже, наладке и эксплуатации.

Отдел АСУ укомплектован специализированными стендами для отладки программного обеспечения, на различных технических средствах, включая Фанук Дженерал Электрик.

  1. Технологическая группа электромонтажных работ.

  2. Современные лицензионные пакеты программного обеспечения Трейс Моуд, Лоджик-Мастер, ПЛ7 ПРО, Монитор ПРО для разработки прикладного программного обеспечения САУ и Р.

  3. Специализированный цех по изготовлению шкафов, их монтажу, испытанию и упаковке (см. рис. 1). Цех оснащен специализированными стендами для входного контроля и испытаний готовой продукции (см. рис. 2).








Рисунок 1 - Участок изготовления щитов


Рисунок 2 - Монтажный участок

На основании опыта по поставкам систем управления намечаются следующие особенности организации работ по САУ и Р:

- поставки САУ и Р выполняются совместно с оборудованием с выполнением монтажа, наладки, пуска в эксплуатацию и гарантийного обслуживания в кратчайшие сроки. Такое требование заказчика предопределяет создание в ОАО СНПО специальных подразделений для выполнения всего комплекса работ по САУ и Р.

- При заказе оборудования заказчик оговаривает тип программно-технических средств и основные требования к САУ и Р. РАО «Газпром» ориентируется на ПТС МСКУ-5000 ЗАО НПФ «Система-Сервис» и серия 5 ССС, ГП Туркменгаз на ПТС Дженерал Электрик, Туркменнефть на ПТС Аллан Брендли и т.п. Для поставки САУ и Р на различных ПТС требуется привлечение соответствующих специалистов.

- Компьютерная разработка документации на САУ и Р. Для сокращения сроков разработки закуплен и осваивается пакет программ САПР электромонтажных работ CAD-E3.

- Создан специализированный участок для изготовления унифицированных щитов по европейским нормам (см. рис. 1).

- Электромонтаж щитов выполняется по европейским нормам с пооперационным контролем (см. рис. 2).

- Каждая система проходит испытания в полном объеме, включая программное обеспечение (см. рис. 3).





Рисунок 3 – Испытателбный стенд


- Применение высокопроизводительных контроллеров и компьютеров дают возможность увеличить объем автоматизации оборудования. Кроме расширения расчетных задач при управлении и углублённой самодиагностики технических средств, выполняется техническая диагностика технологического оборудования и процессов.

При поставке САУ и Р применяются различные виды кооперации в зависимости от требований заказчика и сложности автоматизируемого оборудования. Наиболее приемлемыми видами кооперации являются:

- поставку ПТС выполняет производитель, а остальные работы обеспечивает ОАО СНПО.

- Поставку ПТС и основных регуляторов (регулятор производительности и антипомпажный регулятор) выполняет производитель, а остальные работы обеспечивает ОАО СНПО.

- Поставку ПТС и программного обеспечения выполняет производитель, а остальные работы обеспечивает ОАО СНПО.

Производство систем управления в ОАО СНПО постоянно расширяется и намечаются следующие тенденции в их развитии:

1. Практически все заказчики оборудования требуют комплектной поставки САУ и Р с соответствующим сервисом.

2. Часть заказчиков, таких как РАО «Газпром», имеют свои нормативные документы по САУ и Р, которые обязательны для выполнения.

3. При заявке оборудования заказчик оговаривает ПТС, на которых должна быть поставлена САУ и Р и требования к ней. Наибольшим спросом пользуются САУ и Р на ПТС серии 4 и 5 ССС США, МСКУ 5000 ЗАО НПФ «Система-Сервис», выполненных на контроллерах Сименс Германия, Фанук Дженерал Электрик США, Модикон Шнайдер Электрик Франция.

  1. По требованию заказчика, кроме САУ и Р, вводятся поставки отдельных систем:

- система пожарообнаружения и контроля загазованности;

- система параметрической диагностики;

- система вибрационной диагностики;

- система коммерческого учета газа;

- цифровые системы управления электрооборудованием и др.

Технический уровень применяемых ПТС отличается незначительно, поэтому качество и эффективность разработок определяется прикладным программным обеспечением (объемом автоматизации).

По объему автоматизации к наиболее эффективным разработкам относится САУ и Р газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16С на ПТС серии 5 ССС, которых в І полугодии 2004 года ОАО СМНПО изготовило и поставило 28 комплектов для ОАО Газпром.

Отличительными особенностями указанной САУ и Р являются:

- многоконтурная система регулирования технологического процесса с быстроизменяющимися переходными процессами, такими как частота вращения газотурбинного двигателя и компрессора;

- сложные алгоритмы управления из-за большого количества управляемых исполнительных механизмов;

- высокие требования к безопасности управления и защиты;

- обеспечение совместной работы газотурбинной, газоперекачивающей и электрической технологий;

- удаленные объекты управления и регулирования.

Структурная схема САУ и Р приведена на рис.4.

Рисунок 4 - Структурная схема САУ и Р
Структурой предусмотрено тройное резервирование управления агрегатом из операторной:

- управление с персонального компьютера по оптоволоконной линии связи;

- управление с пульта управления по контрольному кабелю;

- управление отдельной системой экстренного аварийного останова.

Выполнение всех функций регулирования, управления, контроля, сигнализации и защиты выполняются одним процессом РО местных и удаленных входных и выходных преобразователей. Благодаря такой структуре достигается высокая надежность управления.

Все программное обеспечение САУ и Р разработано в виде программных модулей, которые совместно обеспечивают надежное управление оборудованием.

Структурная схема взаимодействия программных модулей приведена на рис.5.


Рисунок 5 - Структурная схема взаимодействия функциональных программных модулей


Среди множества выполняемых САУ и Р функций наиболее важными являются:

- регулирование частоты вращения силовой турбины двигателя;

- отработка задания по частоте вращения силовой турбины, вводимого оператором или по командам САР КС;

- автоматическое предельное регулирование (ограничение) следующих параметров газотурбинного привода:

а) температуры продуктов сгорания;

б) частоты вращения КНД и КВД;

в) давления воздуха за осевым компрессором;

г) приемистости;

- антипомпажное регулирование компрессора технологического газа на всех режимах работы агрегата путем управления клапаном рециркуляции (антипомпажным клапаном);



Рисунок 6 - Структурная схема функционального модуля антипомпажного регулирования
- автоматическое увеличение зоны безопасной работы компрессора в зависимости от скорости приближения его рабочей точки к границе помпажа;

- стабилизация одного из основных регулируемых технологических параметров: давления на выходе компрессора, производительность и др.;

- обеспечение распределения нагрузки между параллельно работающими ГПА по командам САР КС;

- обеспечение работоспособности системы при обнаружении отказов датчиков и исполнительных механизмов (стратегия «выживания»);

- вычисление косвенных параметров (расход топливного газа, запас по помпажу, рабочей точки компрессора, мощности ГТД, и т.п.);

- параметрическое диагностирование технического состояния ГПА и систем КС:

а) состояние проточной части ГТД,

б) состояние форсунок ГТД,

в) состояние проточной части компрессора,

г) охлаждающая способность АВО,

д) состояние уплотнений компрессора;

По управлению компрессора основным является программный модуль антипомпажного регулирования, который представлен на рис.6.

Длительная эксплуатация антипомпажного регулирования на газоперекачивающих агрегатах показала ее высокую эффективность и надежную работу.

Программно-технические средства монтируются в унифированных щитах в соответствии с европейскими нормами.

Общий вид щитов регулирования представлен на рис.7.







Рисунок 7 - Общий вид шитов регулирования


Общий вид щита управления представлен на рис.8.

Выводы: ОАО СМНПО имеет все необходимое для разработки, изготовления, монтажа, наладки и сервисного обслуживания современных высоконадежных систем автоматического управления и регулирования компрессорного оборудования и технологических объектов






Рисунок 8 – Общий видщитов управления


УДК 632 680
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НАЗЕМНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, СОЗДАВАЕМЫХ

НА ОСНОВЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Гриценко Е.А., Данильченко В.П., д-р техн. наук, проф.

ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова», Россия
О тенденциях развития конвертированных авиадвигателей. Развитие и модернизация энергетической отрасли России, как уже признано, должны базироваться на широком внедрении в энергетику газотурбинных установок, создаваемых на базе авиационных технологий и реально существующих высокоэффективных авиационных двигателей, снятых с эксплуатации на самолете.

На базе авиационных двигателей в СНТК создано пять типов газотурбинных двигателей для ГПА мощностью 6,3, 8...10, 16...18, 25 и 30 МВт (табл. 1). В состав Безымянской ТЭЦ (г. Самара) с электрической мощностью 25 МВт и тепловой 39,0 Гкал/ч входит газотурбинный двигатель НК-37 с КПД 36,4 % (табл. 2).

Более 1400 ГПА с двигателями марки «НК» установлено на компрессорных станциях, расположенных в различных климатических зонах. Парк ГПА состоит из более чем 5690 агрегатов общей мощностью 48,6103 МВт. Двигатели работают на газообразном топливе, сочетают в себе новейшие достижения авиастроения (энерговооруженность, легкость, компактность) с большим опытом эксплуатации на магистральных газопроводах при работе в безлюдных районах юга и севера, в запыленных условиях, а также в жилых районах, обеспечивают выполнение современных требований по экологии. При выборе путей повышения мощности и КПД ГТУ на базе авиационных ГТД важно проследить пути совершенствования параметров ГТД в энергетическом машиностроении и в авиационном двигателестроении.

Таблица 1

Двигатели семейства «НК» для газоперекачивающих агрегатов

Тип

двигателя

Тип

агрегата

Год

начала эксплуатации

Мощ-ность,

МВт

Эффек-тивный КПД,

%

Коли-чество ГПА, шт.

Суммарная наработка,

ч

Наработка двигателей без

ремонта, ч

НК-12СТ

ГПА-Ц-6,3

1974

6 ,3

26,1

720

36 223 245

63 398

НК-14СТ

ГПА-Ц-6,3

1995

8

32

53

210 503

20 394

НК-16СТ

ГПА-Ц-16

1982

16

29

656

29 000 000

44 181

НК-16-18СТ

ГПА-Ц-16

1996

18

31

41

128 855

21 360

НК-36СТ

ГПА-Ц-25

1994

25

36,4

1

22 352

13 776

НК-38СТ

ГПА-Ц-16Р

1997

16

38

2

3 804

1 637




ГПА-16 «Волга»

2000

16

38

1

1 702

1 702

НК-126 (образец)





4

32







Таблица 2

Двигатели семейства «НК» для электростанций

Тип

двигателя

Тип

установки

Год

начала эксплуатации

Мощ-ность,

МВт

Эффек-тивный КПД,

%

Коли-чество ГПА, шт.

Суммарная наработка,

ч

Состояние разработки

НК-37

НК-900Э

1999

25

36,4

1

5 124

Эксплуата-ция

НК-37-1

НК-901Э

2001

30

37,0

2



монтаж

НК-14Э

АТГ-10

2001

10

33,0

1



монтаж

НК-22ВЭ

КУ*



50…95

36,5…54,5





НИОКР

*Комбинированная установка с выносным энергоблоком


Развитие газотурбинных установок в энергетике начиналось с лопаточных машин (компрессоров и турбин), имеющих ограниченные значения степени сжатия в компрессорах к*= 4...7 и температуры газа перед турбинами Тг* 1000 К. Получение высоких значений КПД в таких ГТУ «простой» схемы превратило их в установки «сложной» схемы с дополнительными контурами (сухими регенераторами тепла выхлопных газов в воздух, поступающий в камеру сгорания после компрессора, или котлами-утилизаторами, установленными на выхлопе из ГТУ, с использованием пара в паровой турбине, а горячей воды - для бытовых нужд). В ГПА применяются только сухие регенераторы тепла выхлопных газов. Недостатками таких ГТУ при достаточно больших значениях КПД являются большие габариты, металлоемкость, высокая стоимость установленного кВт.

Развитие авиационных двигателей шло по пути создания компрессоров и турбин с высокими значениями к* и Тг*. В этом направлении был сделан настоящий прорыв. Получены высокие КПД циклов авиационного ГТД на уровне лучших стационарных ГТУ с регенераторами. Габариты и металлоемкость авиационных двигателей оказались меньшими, чем стационарных ГТУ. На рис. 1 представлены тенденции развития ГТУ по КПД и мощности, которые имеют две особенности.



Ne, МВт

Ne, МВт


Рисунок 1 - Тенденции развития промышленных ГТУ по мощности и КПД
Первая особенность: КПД ГТУ увеличивается с повышением ее мощности до 50 МВт. Причем КПД установок, выполненных на базе авиационных ГТД, располагаются ближе к верхней границе приведенного массива данных на рис. 1; наивысший КПД двигателя НК-38СТ равен 38 %, а в результате усовершенствований может достигнуть 41,5 %. Вторая особенность состоит в том, что при увеличении мощности ГТУ более чем 50 МВт, например до 110 МВт, КПД как зарубежных, так и отечественных ГТУ «простой» схемы снижаются даже при применении авиационных технологий проектирования и изготовления.

В связи с необходимостью экономии газа на собственные нужды приводов остро встает вопрос о совершенствовании методов конвертирования путем сокращения потерь тепла с выхлопными газами и повышения КПД. При этом развитие по КПД энергетических установок будет осуществляться не только в направлении совершенствования параметров одноконтурных газогенераторов ГТУ, но и создания комбинированных систем, работающих по открытому, полузамкнутому и замкнутому циклам.

Форсирование параметров цикла и совершенствование параметров одноконтурных ГТУ. Схемы первого уровня сложности. Характеристики одноконтурных ГТУ, выполненных по «простой» схеме (цикл Брайтона), приведены на рис. 2, где представлены зависимости КПД и мощности установки от степени повышения давления и степени подогрева . Видно, что рост температуры при фиксированном значении к* сопровождается увеличением мощности и КПД. Однако темп прироста КПД невелик и принципиально повышение температуры газа перед турбиной должно сопровождаться увеличением степени сжатия. Приведены также величины КПД приводов НК-12СТ, НК-14СТ, НК-16СТ, НК-36СТ и НК-38СТ, базой для которых являются авиадвигатели разных поколений.


эф,



 = 4,7


= 25

Рисунок 2 - Характеристики ГТУ, выполненных по простой схеме

(пт= 0,85; пк= 0,89; =0,93):

эф– КПД; Н– полезная работа;

 – значения; существующие ГТУ;

– усовершенствованные ГТУ


Можно обнаружить, что достижение максимальной мощности при заданной степени подогрева осуществимо при разных к*. Двигатели с низкими к* (и исходными КПД) сохраняют, однако, возможность осуществления в них цикла Брайтона с регенератором, который обеспечивает (при незначительном снижении мощности) получение существенного прироста КПД. Это направление до недавнего времени было определяющим в стационарном газотурбостроении в связи с отсутствием необходимого опыта конструирования компрессоров с сильнонагруженными ступенями и высокими КПД.

Анализ стационарных установок с регенерацией тепла в теплообменнике газ-воздух показывает, что при к*= 7…9 и температуре газа Тг* 1300 К удается достичь КПД установки эф = 34…35%, тогда как КПД исходного цикла не превосходит величины 26…29%. Успехи конструирования авиационных компрессоров позволили в ГТУ простого цикла (без регенератора) достичь близких и превосходящих значений КПД. Дальнейшее повышение КПД одноконтурных ГТУ, создаваемых на базе авиадвигателей при минимальных изменениях конструкции базового ГТД, связывается: с уменьшением радиальных зазоров; осуществлением подогрева топлива, поступающего в камеру сгорания, выхлопными газами; уменьшением расхода охлаждающего воздуха в высокотемпературных газогенераторах ГТУ за счёт снижения его температуры станционными средствами.

Однако в энергетику поступают авиадвигатели с высокими значениями степени сжатия воздуха в компрессоре, следовательно, и температурой воздуха за ним и низкими температурами газа за турбиной. В таких ГТД отсутствует возможность осуществления цикла Брайтона с регенератором по классической схеме. Анализ циклов ТРДД, конвертируемых в приводы, с низкими параметрами воздуха (давления и температуры) за вентилятором позволяет рассматривать регенерацию тепла выхлопных газов за турбиной первого контура в воздухе вентиляторного контура с помощью теплообменника в качестве резерва повышения КПД и мощности. Дальнейшее увеличение КПД ГТУ также связывается с утилизацией тепла выхлопных газов, но тепло передается не цикловому воздуху, а теплоносителю, не участвующему в цикле ГТД и не требующему значительных затрат мощности для повышения давления в нем. Простейшим способом повышения тепловой эффективности газотурбинных установок является утилизация тепла для обеспечения теплоснабжений предприятий и коммунальных потребителей. Для этой цели газы после силовой турбины направляют в паровые или водогрейные котлы-утилизаторы. Опыт такой утилизации имеется, но этим приемом не может быть охвачен имеющийся парк ГТД, сосредоточенный, в основном, на компрессорных станциях.

Итак, использование тепла в теплофикационных и бытовых целях не решает глобальную проблему электросбережения, несмотря на возможность в отдельных случаях (вблизи крупных населенных пунктов или заводов) повысить КПД системы, состоящей из энергетического и теплофикационных комплексов, до 80…85%. Как отмечалось, это связано с тем, что большинство ГТУ используется в газо- и нефтеперекачивающих станциях с малым потребным количеством тепла для бытовых нужд. Поэтому определяющее значение будут иметь системы, обеспечивающие повышение КПД путем получения дополнительной мощности.

В основу систематизации комбинированных схем, которая представлена в данной работе, положен принцип дополнительного усложнения конструкции исходного авиадвигателя. Если в схемах первого уровня рассмотрены двигатели с базовым газогенератором простого цикла, то в схемах второго уровня предполагается сохранение газогенератора и использование пара в модернизированной силовой турбине с выбросом парогазовой смеси в атмосферу; в схемах третьего уровня ограниченное изменение конструкции исходного газогенератора с целью создания условий для утилизации тепла выхлопных газов, а в схемах четвертого уровня рассматриваются установки сложных циклов.

Схемы второго уровня. Установки с регенерацией тепла выхлопных газов и подачей пара на силовую турбину. Такие установки позволяют сохранить облик газогенератора конвертируемого двигателя, как и в схемах первого уровня. Ожидаемый прирост мощности и КПД таких установок может достичь 5…7%. Схема удачно реализуется в случае разрешения проблемы водоподготовки. Существенную экономию воды в открытой схеме ПГУ можно получить путем установки контактного теплообменного аппарата конденсационного типа в выхлопной шахте, транспортирующей парогазовую смесь в атмосферу. Перспективными являются ПГУ, в которых температура выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, находится в пределах от +25 до +30 С (в отличие от имеющих место в настоящее время от +140 до +170 С).

Схемы третьего уровня. ГТУ с подачей пара в компрессор, камеру сгорания, в систему охлаждения турбины газогенератора и турбины привода. В тех случаях, когда по технико-экономическим причинам необходимо резко сократить расход воды через установку, целесообразно использовать циклы с впрыском водяного пара (воды) в компрессор, камеру сгорания, в систему охлаждения высокотемпературной турбины газогенератора и турбины привода.

При расходе пара порядка 4…5% от расхода воздуха через ГТУ камера сгорания и сопловые лопатки турбины еще могут быть получены доработкой базовых узлов. В таких установках вследствие большой степени расширения смеси в турбине (*т  цикла) и малых энергетических затратах на повышение давления дополнительной массы рабочего тела обеспечивается заметное увеличение мощности и КПД установки. Схема привода с регенерацией тепла в паровом котле и подачей пара (воды) в различные узлы приведена на рис. 3. При впрыске 2% воды (= +250 С) на вход в компрессор ГТУ ALSTOM GT9D, температура воздуха на выходе из компрессора снижается на 52, что приводит к уменьшению затрачиваемой работы в компрессоре и увеличению мощности ГТУ примерно на 14% и КПД  на 1%. Технология впрыска горячей воды (= +150…250ОС) с высоким давлением (100…150 бар) на вход в компрессор является новой, носит название Swirl Flash и представляет большой интерес, так как при ее применении замечено значительное (примерно на 30%) снижение эмиссии оксидов азота (NOх) в выхлопных газах.

Впрыск пара (воды) в камеру сгорания. По данным фирмы Rolls-Royce впрыск ~ 5% пара обеспечивает значительный прирост КПД (от 2 до 5%) во всем диапазоне степеней сжатия *к (от 4 до 18) в цикле. Подача воды (пара) в камеру сгорания обеспечивает также уменьшение содержания окислов азота NOx в продуктах выхлопа. Существенный эффект был достигнут при впрыске топливно-водяной эмульсии, образованной в эмульгаторе, а также при подаче воды через форсунки, расположенные коаксиально с топливными.

Проведенные в СГАУ (проф. Ю.А. Кнышом) испытания отсеков камер сгорания двух двигателей НК показывают существенно более сильное влияние на снижение оксидов азота NOx подачи топливоводяной эмульсии, по сравнению с раздельной подачей топлива и воды. Испытания не обнаруживают расслоения коэффициентов полноты сгорания при подаче в зону горения воды или эмульсии в проверенном диапазоне массовых соотношений Gвод/Gт (от 1 до 20%). Однако при впрыске воды в камеру сгорания в связи с затратами тепловой энергии на ее испарение, следует ожидать некоторого снижения коэффициента полезного действия установки, которое может быть заметным при расходе воды, близком к расходу топлива. При необходимости снизить выброс NOx в 2…3 раза можно ожидать, что потребное содержание воды в эмульсии составит примерно Gвод = 10…15 % Gт вместо 50…90 % – при раздельной подаче. Ожидаемое снижение КПД газотурбинного двигателя НК-37 при подаче эмульсии в количестве 10…15 % Gт не превысит 0,3…0,4 %, увеличение мощности составит 18%.



Вода

3

8

12
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации