CC BY
47
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКА
УДК 621.577
Шишин А.А., Титов А. В., Осипов Б.М., Додонов М.В., Жильцов Е.И.
ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ СЕМЕЙСТВА «Николай Кузнецов» ( НК)
Представлены результаты расчетного исследования увеличения кпд и номинальной мощности газотурбинного двигателя со свободной турбиной, путем подвода пара и углекислого газа в различные сечения проточной части ГТД.
Ключевые слова: газоперекачивающая станция, газопаротурбинная установка, подвод пара, углекислый газ, математическая модель.
При освоении новых месторождений природного газа возникают требования о создании газоперекачивающей станции (ГПС) с высокоэффективным газоперекачивающим агрегатом (ГПА) при минимальном объёме капитального строительства и с минимальным составом обслуживающего персонала. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют компрессорные станции с агрегатами, использующие в качестве силового привода газотурбинный двигатель (ГТД) с подводом пара в газовый тракт, работающие по, так называемому, циклу 8Т10 (рис. 1).
Рис. 1. Схема газопаротурбинной установки типа БТЮ
К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; ОКГ - охладитель компримированного газа; УК - утилизационный котел; Н - насос; ОВ - охладитель воды; НВ-наружный воздух; ПГС - парогазовая смесь
Г азопаротурбинные установки (ГПТУ) позволяют сократить затраты на транспортировку газа в 2,5-4 раза за счет увеличения массового расхода рабочего тела, подаваемого на турбины, и соответственно полезной работы, получаемой в ГТД и используемой для привода газоперекачивающих компрессоров при одном и том же потреблении газообразного топлива, что и в ГТУ простого цикла. Производство пара осуществляется в утилизационном котле (УК), использующем высокопотенциальную теплоту отработанной парогазовой смеси (ПГС) [1].
Использование водяного пара в качестве охлаждающего агента высокотемпературных элементов проточной части ГТУ (вместо обычно применяемого воздуха) позволяет увеличить эффективность охлаждения и избежать больших затрат мощности на сжатие охлаждающего воздуха. При одинаковом массовом расходе затраты на подогрев пара будут в 2,5 раза меньше из-за его большей теплоемкости, а коэффициент теплоотдачи от стенки лопатки к водяному пару будет выше [2].
Особенностью цикла 8Т10 является то, что водяной пар, отработав в смеси с продуктами сгорания в газовой турбине и пройдя газовый тракт котла-утилизатора (КУ), выбрасывается вместе с продуктами сгорания в атмосферу. Улавливание паров воды можно получить путем установки контактного теплообменного аппарата конденсационного типа в выхлопной шахте, транспортирующей парогазовую смесь в атмосферу. Конденсация паров воды, содержащихся в парогазовой смеси, осуществляется водой (конденсатом), подаваемой в парогазовую смесь. Вода (в том числе и конденсат) после охлаждения ее в теплообменнике вновь подается на вход в ГТУ. Однако, такая реконструкция КС требует крупных капиталовложений поскольку связана со строительством станции подготовки (очистки и смягчения) питательной воды УК, изготовлением и монтажом газовыпускного тракта с УК и КК. Она целесообразна для вновь строящихся КС.
Как альтернатива впрыска подвода пара в ГТУ рассматривается впрыск углекислого газа. При собственном потреблении углекислоты в газообразном состоянии возможен вариант получения углекислоты из дымовых газов. В этом случае углекислота может собираться в мягкий газгольдер (самый дешевый вариант), выполненный из полимерной пленки (прорезиненной ткани), или в емкость из стали толщиной 2 мм. Установки такого типа изготавливаются по заказу с производительностью от 1 до 50 кг СО2/час [3].
Одним из эффективных способов концентрации СО2 из дымовых га-
зов является мембранная технология, принцип работы которой основан на мембранном разделении газов. С момента появления первых промышленных образцов в начале 1980-х годов технология мембранного газоразде-ления совершила огромный скачок и получила широкое распространение. К достоинствам этой технологии относятся, в первую очередь, меньшие энергетические затраты на процесс выделения (концентрирования) чистого СО2 по сравнению с традиционными физико-химическими процессами. Впрыскиваемый газ СО2 целесообразно подавать нагретым. Нагрев возможно осуществить имеющимся резервом тепла (уходящей газовой смеси) после силовой турбины (рис. 2).
Рис. 2. Схема ГТУ с впрыском углекислого газа
В - воздух; К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; ОГ - охладитель газа; НВ - наружный воздух; УхГ - уходящие газы.
В качестве объекта исследования был выбран газотурбинный двигатель НК-16-18СТ. Данный двигатель является хорошо отработанным и широко представленным на рынке, предназначен для привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата компрессорной станции. Установка работает на природном газе. ГТД является одноконтурным и трехвальным, в котором свободная энергия преобразуется в мощность на выходном валу с помощью свободной турбины.
Исследование подвода пара и углекислого газа в различные сечения проточной части газотурбинного двигателя производилось с помощью программного комплекса «ГРАД ЭУ» [4] с учетом всех технических характеристик и параметров двигателя [5]. Система уравнений, решаемых при исследовании подвода пара и углекислого газа двигателя НК-16-18СТ
будет выглядеть следующим образом:
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ^™ст ^обвд^обнд^ = AGB , •°квд’
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ст ^обвд^обнд) = AGB , •°кнд’
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ст ^обвд^обнд) I = , Dm вд’ (1)
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ^™ст ^обвд^обнд) A^&m нд5
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ^™ст ^обвд^обнд) 1 = AGg , Dcm 5
f (^В* ^^квд* ^^кнд* ^™ст ^обвд^обнд) 1 = APB , •°вых’
где GB - расход воздуха на входе в двигатель; Кп - параметр, характеризующий положение на напорной ветке КВД; Кп - параметр, характеризующий положение на напорной ветке КНД; пт ст - значение степени понижения давления в СТ; поб вд - обороты вала высокого давления; поб нд - обороты вала низкого давления; АОв квд - рассогласование между величиной расхода воздуха, подошедшего к входному сечению КВД Gi и рассчитанного по характеристики - Gix; AGe кнд - рассогласование между величиной расхода воздуха, подошедшего к входному сечению КНД Gi и рассчитанного по характеристики - Gix; AGZ твд - невязка между подошедшим расходом газа к входному сечению ТВД - Gi и определенным по пропускной способности - G1P; AGZ тнд - невязка между подошедшим расходом газа к входному сечению ТНД - Gi и определенным по пропускной способности - G1P; AGZ ст, - невязка между подошедшим расходом газа к входному сечению СТ - Gi и определенным по пропускной способности - G1P; АРвъх - равенство статических давлений на входе и на выходе из двигателя.
Максимальное количество подвода пара и углекислого газа определяется из условия пропускной способности газовой турбины. Результаты расчетов в виде зависимостей кпд и мощности ГТУ от количества впрыскиваемого вещества в проточную часть представлены на рис. 3-7.
■Часовой расход топлива —□ - Пропускная способность СА ТВД —Д- Эффектиный кпд
кг/с
Рис. 3. Изменение параметров НК-16-18СТ при впрыске пара перед камерой сгорания и фиксированной мощности 18 МВт на выводном валу
Рис. 4. Изменение параметров НК-16-18СТ при впрыске пара перед ТВД фиксированной мощности на выводном валу 18 МВт
0 2 4 6 8 10 12 Gвпр,
—О - Часовой расход топлива —□— Пропускная способность СА ТВД —&— Эффективный кпд кг/с
Рис. 5. Изменение параметров НК-16-18СТ при впрыске пара перед СТ и фиксированной мощности на выводном валу 18 МВт
Gприв,
От/часН 000
12 000
п
10 000
8 000
Х-Х-Х
6 000 &
4 000
2 000
>■■0
-й-
-0-
2 4 6 8 10
-О— Пропускная способность СА ТВД Часовой расход топлива -й- Мощность на выводном валу -X- Эффективный кпд
34
МВт 30 п %
26
22
18
14
10
12
Gвпр,
кг/с
0
Рис. 6. Изменение параметров НК-16-18СТ при впрыске углекислого газа перед ТВД и фиксированной мощности на выводном валу 18 МВт
Gприв,
От/часН 000
12 000
Х-Х-'Х
10 000
8 000
6 000 &
4 000
2 000
>о
2 4 6 8 10
-О- Пропускная способность СА ТВД Часовой расход топлива Мощность на выводном валу -X- Эффективный кпд
30
26
22
18
14
№, МВт П %
10
12
Gвпр,
кг/с
0
Рис. 7. Изменение параметров НК-16-18СТ при впрыске углекислого газа перед СТ и фиксированной мощности на выводном валу 18 МВт
Проведенные исследования на математической модели двигателя НК-16-18СТ показали следующее.
1. Без дополнительных подводов двигатель НК-16-18СТ имеет мощность Ые = 18МВт с учетом входных и выходных потерь, эффективный кпд т/эф = 27,89%.
2. Подвод пара перед камерой сгорания при фиксированной мощности на выводном валу 18Мвт ведет к повышению эффективного кпд до 32,48%, при этом геометрия проточной части ТВД остается неизменной (рис. 3).
3. Подвод пара перед турбиной высокого давления ведет к устойчивому повышению эффективного кпд двигателя до 32,48%. Мощность на валу двигателя 18 МВт. Геометрия проточной части базовой турбины остается неизменной (рис. 4).
4. Подвод пара перед силовой турбиной ведет к повышению эффективного кпд двигателя до 32,45%. Геометрия проточной части двигателя остается неизменной (рис. 5).
5. Впрыск углекислого газа перед турбиной высокого давления при фиксированной мощности на валу 18Мвт ведет к повышению эффективного кпд двигателя на 2,93%. Геометрия проточной части турбины остается неизменной (рис. 6).
6. Впрыск углекислого газа перед силовой турбиной при фиксированной мощности на валу 18 Мвт ведет к повышению эффективного кпд двигателя на 2,52%. Геометрия проточной части турбины остается неизменной (рис. 7).
Следует отметить, что при использовании углекислого газа в качестве впрыскиваемого вещества стоимость производства газа будет определяться способом строительства станции, условиями монтажа, комплект-
ностью оборудования, характеристиками дымовых газов, условиями эксплуатации и многими другими.
Источники
1. Радченко А.Н. Энергосберегающая модернизация газоперекачивающих станций на основе теплоиспользующих холодильных машин. Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Украина. 2008.
2. Голованов А.В., Зейгарник Ю.А., Поляков А.Ф. Сравнительная эффективность парового и воздушного охлаждения лопаток газовых турбин // Tеплоэнергегика. 1996. № 10.
3. URL: http://ugle-kislota.narod.ru/
4. CAD/CAM центр -программный комплекс «ГРАД». Руководство программиста. Казань: Изд-во Казан. гос. технического ун-та им. А.НТуполева. 1998.
5. Осипов Б.М., ^тов А.В., Tунаков А.П., Хамзин А.С., Явкин В.Б. Автоматизированное проектирование двигателей: уч. пос. Казань: Изд-во Казан. гос. технического ун-та им. А.НТуполева, 2005. 166 с.
Зарегистрирована 11.06.2011 г.
