CC BY
45ЭНЕРГЕТИКА
В.В. Романов, технический директор ГП НПКГ «Зоря» - «Машпроект»
НОВАЯ ВЫСОКОЭКОНОМИЧНАЯ ГАЗОПАРОТУРБИНННАЯ УСТАНОВКА «ВОДОЛЕЙ»: ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКИ НА КС СТАВИЩЕНСКАЯ (УКРАИНА)
Одной из основных проблем, решаемых энергетическим машиностроением, является сокращение потребления энергоресурсов в эксплуатации. Эта проблема решается путем создания стационарных и транспортных установок с коэффициентом полезного действия от 40% до 50% и выше.
Рис. 1. ГПУ-16К «Водолей» на ГКС Ставищенская
В ноябре 2003 г. первая серийная КГПТУ-16 мощностью 16 МВт, созданная в НПКГ «Зоря» - «Машпроект» на базе разработок профессора Н.А. Дикого (Киевский политехнический институт), введена в эксплуатацию на газокомпрессорной станции Ставищенская газопровода «Прогресс». КПД этой установки при температуре газопаровой смеси на выходе из камеры сгорания 1358 К составил 42,1%. До настоящего времени установка наработала более 9500 часов и сэкономила около 13,5 млн м3 топливного газа по сравнению с установками аналогичной мощности с газотурбинным двигателем простого цикла. Экологические показатели выбросов в отработавших газах, приведенные к объемному содержанию кислорода 15%, составили для N0 - 40-68 мг/нм3, СО - 58-10 мг/нм3 и температура газов, выбрасываемых в окружающую среду, не более 45°С. Несмотря на то, что созданная КГПТУ не имеет мировых аналогов, по экономическим и экологическим показателям проблемы дальнейшего сокращения потребления энергоресурсов перспективными КГПТУ требуют дальнейшего совершенствования их термодинамических циклов и схемных решений. Для освоения КГПТУ с КПД более 50% требуется реализация максимальной температуры термодинамического
цикла около 1873К и степени повышения давления 45-50 с впрыском воды на входе в компрессор низкого давления, применение более эффективного охлаждения горячих частей двигателя и дополнительная утилизация теплоты отработавших газов топливом. Идея утилизации теплоты отработавших газов в котлах-утилизаторах и подача перегретого пара в камеру сгорания газотурбинного двигателя с последующим возвратом конденсата в цикл лежит в основе создания в ГП НПКГ «Зоря» -«Машпроект» высокоэкономичной контактной газопаротурбинной установки КГПТУ-16 мощностью 16 МВт для газоперекачивающей установки. В ГПУ-16К смесь отработавших газов и паров воды за котлом-утилизатором охлаждается в контактном конденсаторе с 185°С до 45°С и ниже. Пары воды при охлаждении конденсируются и превращаются в воду. Количество сконденсированной воды зависит от температуры охлаждения смеси отработавших газов и количества паров воды в этой смеси. Масса водяного пара за камерой сгорания больше массы пара на входе в камеру сгорания на величину массы дополнительного пара. Дополнительный пар образуется при сжигании топливного газа, который является смесью газа метана СН4 и других углеводородных газов. Конденсация части дополнительного водяного пара в контактном конденсаторе позволяет получать дополнительную воду при эксплуатации установки. До-
полнительную воду можно использовать для пополнения потерь воды при эксплуатации ГПУ-16К в летний период или для других целей на ГКС. Эксплуатация ГПУ-16-К на ГКС выполняется по специальным программам, разрабатываемым на каждый год. Эти специальные программы обеспечивают возможность применять установку не только для транспортировки газа, но и для ее исследования и совершенствования. Периоды времени, когда ГПУ-16К не работала, объясняются двумя главными причинами. Первая причина - отсутствие потребности в транспортировке газа установкой и вторая - модернизация составных частей установки для улучшения ее работоспособности, экономичности и надежности.
ГПУ-16К эксплуатируется на газоперекачивающей станции совместно с газоперекачивающими агрегатами ГПА-16 мощностью 16 МВт с газотурбинными двигателями ДЖ59 без утилизации теплоты отработавших газов. Количество топливного газа, который был сэкономлен при эксплуатации ГПУ-16К, определялось как разность количеств топливного газа, использованного ГПА-16 и ГПТУ-16К при одновременной их эксплуатации.
Время эксплуатации ГПУ-16К для транспортировки газа без учета времени работы на проверки и испытания составляет около 9500 часов. За это время установка эксплуатировалась во все времена года.
86 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\
\\ № 9 \\ сентябрь \ 2003
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 9 \\ сентябрь \ 2009
Рис. 2. Схема КГПТУ
Летом, когда температура окружающего воздуха не превышала 30°С, температура газов, выбрасываемых в окружающую среду, была не более 45°С. Температура газов, выбрасываемых в окружающую среду, уменьшалась до 25-28°С с уменьшением температуры окружающего воздуха до 5-7°С.
Особое внимание при эксплуатации установки уделено измерениям возврата воды в цикл. При работе установки в течение 9500 часов по циклу без контактного конденсатора и возвращения воды в цикл потери обессоленной воды составили бы более 150000 тонн. Работа ГПУ-16К с контактным конденсатором устранила потери и обеспечила возможность компенсировать потери воды летом при температуре окружающего воздуха более 25°С водой, накапливаемой в специальном баке запаса конденсата при эксплуатации в сезоны года, когда температура окружающего воздуха ниже 20°С.
Мощность, КПД и количество сконденсированной воды в контактном конденсаторе КГПТУ зависят от температуры окружающего воздуха. При температуре окружающего воздуха более 15°С начинается снижение мощности и КПД, а при температуре окружающего воздуха более 25°С для сохранения работоспособности ГПУ-16К требуется небольшая подпитка воды из бака запаса конденсата.
Увеличение КПД КГПТУ до 50% возможно при достижении максимальной температуры цикла около 1673 К и степени повышения давления 25-35. Для дальнейшего увеличения значений КПД необходима реализация в КГПТУ максимальной температуры цикла на уровне 1873 К и степени повышения давления 45-50.
Применение КГПТУ позволяет также дополнительно обеспечивать потребителя тепловой энергией в виде пара и горячей воды. При общем коэффициенте использования теплоты топлива 0,7-0,8 и КПД установки около 50% обеспечивается тепловая мощность в количестве 30-40% от мощности на валу установки.
выводы
1. Производство КГПТУ с эффективным КПД от 40 до 45% можно осуществлять из всего ряда производимых предприятием двигателей мощностью от 2,5 до 25 МВт.
Модернизация элементов серийных двигателей заключается в следующем. В камерах сгорания выполняют два подвода пара от котла-утилизатора. Первый подвод - в зону горения для снижения эмиссии N0, а второй - для смешения пара и продуктов сгорания. Модернизированные турбины имеют оптимизированные площади проходных сечений для работы на смеси продуктов сгорания и пара.
2. КГПТУ могут быть использованы как приводы нагнетателей, электрогенераторов и судовых движителей.
3. КГПТУ могут работать на компрессорных станциях как с газотурбинным приводом,так и с электроприводом нагнетателя. В случае электропривода КГПТУ является непосредственно приводом электрогенератора, электрическая энергия которого приводит в действие электродвигатель нагнетателя. Применение механического или электрического приводов зависит от потребности объекта в различных видах энергии: механической, электрической и тепловой.
4. Применение КГПТУ в коммунальной энергетике позволяет обеспечивать по-
требителей электрической и тепловой энергией. Дополнительно, при необходимости, установка может обеспечивать потребителей обессоленной водой.
5. КГПТУ могут быть использованы при создании автономных электростанций различной мощности для континентальных и морских объектов. Основным отличием конструктивного исполнения КГПТУ для континентальных и морских объектов является система охлаждения конденсата, включающая аппараты воздушного или водяного охлаждения.
6. КГПТУ является перспективной энергетической установкой для быстроходных морских судов большого водоизмещения, таких как паромы и ролкеры.
30РЯ-МАШПР0ЕКТ
54018, Украина, г. Николаев,
Октябрьский пр., 42a
Тел.: +380 (512) 49-36-34, 49-39-11
Факс: +380 (512) 49-92-50, 49-37-94
e-mail: romanov@zorya.com.ua,
marketing@zorya.com.ua
www.zmturbines.com
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ энергетика \\ 87
