Оценка возможных режимов работы ГТУ НК-16СТ при использовании в качестве топлива попутного нефтяного газа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗА В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

№ 5 | 752 | 2017 г.

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГТУ НК-16СТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА

УДК 622.691.4.052.012.004.53

А.В. Бакланов, к.т.н., АО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (Казань, РФ), andreybakianov0bk.ru

С.П. Неумоин, АО «Казанское моторостроительное производственное объединение», SNeumoin0oao.kmpo.ru

А.Н. Маркушин, АО «Казанское моторостроительное производственное объединение», amarkushin@oao.kmpo.ru

Ввиду наметившегося курса на рациональное использование попутного нефтяного газа (ПНГ) произведена адаптация газотурбинной установки (ГТУ) НК-16СТ к работе на данном виде топлива. В статье приводится схема двигателя НК-16СТ с генератором. Для анализа приняты условный состав и объем выхода данного топлива в сутки. Для данных условий осуществлен расчет мощности двигателя. Произведена оценка того, на сколько требуется увеличить открытие дозатора газа по сравнению с открытием дозатора во время работы двигателя на природном газе. При помощи сводной дроссельной характеристики разработана методика оценки возможных режимов работы ГТУ НК-16СТ при использовании в качестве топлива ПНГ. Также произведен расчет необходимого давления газа на входе в двигатель для обеспечения рассчитанной мощности.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, НЕФТЯНОЙ ГАЗ, МОЩНОСТЬ, ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА.

Многие нефтедобывающие н компании, столкнувшись с про- с блемой утилизации ПНГ, стараются использовать его в качестве топлива в газоприводном оборудовании для выработки электро- = энергии. Схема установки, которая используется для этого, показана на рис. 1. Подобные установки входят в состав газотурбинных электростанций (рис. 2).

Приводные газотурбинные двигатели (ГТД), используемые в подобных установках, предназначены для работы на природном газе. При замене природного газа на ПНГ перед разработчиком ГТУ возникает ряд вопросов.

Во-первых, как изменится мощность на валу свободной турбины ГТУ при работе на номинальном режиме?

Во-вторых, индексы Воббе

Рис. 1. Схема энергетической установки природного и попутного нефтя- ......................................................................................................................................................

ого газов различаются суще-твенно:

WIт = Н„-

WIп

н,,

Рпг/Рв Рт/Рв

49840 кДж/кг 1,544 кг/м3

30929 кДж/км 0,68 кг/м3

: 2,43, (1)

где WIТ, WIПГ - индексы Воббе природного и попутного нефтяного газов, соответственно; ИиТ, НиПГ - низшие теплотворные способности природного и попутного газов, соответственно; рТ, рПГ -плотности природного и попутно-

Редуктор

Генератор

Трансмиссия

Приводной ГТД

Baklanov A.V., Ph.D. in Engineering Sciences, Kazan Motor-Building Production Association JSC (Kazan, Republic of Tatarstan, RF), andreybaklanov@bk.ru Neumoin S.P., Kazan Motor-Building Production Association JSC, SNeumoin@oao.kmpo.ru Markushin A.N., Kazan Motor-Building Production Association JSC, amarkushin@oao.kmpo.ru

Assessment of possible operating regimes of a gas turbine plant НК-16СТ when using associated petroleum gas as fuel

In view of the selected focus on the rational use associated petroleum fuel (APF), a gas turbine plant (GTP) HK-16CT is adapted to the work on such type of fuel. The article illustrates the HK-16CT motor diagram with a generator. Conventional composition and output volume of this fuel per day are taken into consideration for analysis purposes. The engine power is calculation for such conditions. One assessed how much one needs to increase the opening of a gas measuring unit in comparison with the opening of a measuring unit when the engine works on natural gas. With the help of a consolidated throttle characteristic, one developed a method to assess possible operating regimes of HK-16CT GTP when using APF as fuel. One also calculated the required inlet gas pressure in the engine in order to ensure the calculated power.

KEY WORDS: GAS TURBINE ENGINE, COMBUSTION CHAMBER, PETROLEUM GAS, POWER, FUEL SYSTEM.

Турбогенератор

Блок МСКУ

Блок

электроснабжения

АВГМ

УПТГ

Площадка для въезда транспорта

Рис. 2. Газотурбинная электростанция

го газов в нормальных условиях, соответственно; рв - плотность воздуха в нормальных условиях.

При таких различиях индекса Воббе может потребоваться замена топливной аппаратуры. Поэтому необходимо определить, каково будет давление ПНГ в топливной системе и будет ли достаточным проходное сечение дозирующего устройства для обеспечения работы ГТУ на номинальном режиме.

В-третьих, необходимо определить, будет ли состав топливо-воздушной смеси в камере

GT =

Gnr Hu\

H.T

(2)

сгорания находиться в пределах устойчивого горения и есть ли необходимость в перераспределении подачи воздуха по длине камеры сгорания [1].

Расчет мощности на валу свободной турбины при работе двигателя на попутном газе ведется в следующей последовательности.

По известному расходу выделяющегося попутного газа вПГ и по теплотворным способностям НиТ и НиПГ природного и попутного газов, соответственно, вычисляется эквивалентный расход природного газа GТ:

Расход йТ эквивалентен расходу GПГ в том смысле, что при сгорании йТ килограмма природного газа и GПГ килограмма попутного газа выделится одинаковое количество тепла.

Далее по вычисленному расходу природного газа GТ и по дроссельной характеристике двигателя определяется мощность на валу свободной турбины.

Необходимое статическое давление попутного газа на входе в топливную систему РПг может быть примерно вычислено как сумма:

РПг = РК + АРДоз.к + АР*Г-Дсз, (3)

где Р К - давление газа в камере сгорания (т. е. в выходном сечении топливной форсунки); АР Доз-К -разница давлений на участке от дозатора (от полости за дозирующей иглой) до камеры сгорания включительно (до выходного сечения топливной форсунки); АР пГ-Доз — разница давлений газа перед дозатором (на входе в топливную систему) и за дозатором (в полости за дозирующей иглой).

Поскольку рассчитывается необходимое минимальное давление попутного газа, его давление в камере сгорания Р* принимается равным давлению воздуха

за компрессором, которое измеряется при снятии дроссельной характеристики двигателя.

Разница давлений на участке от дозатора до камеры сгорания представляет собой потери давления на этом участке, которые, в случае как природного газа, так и ПНГ, пропорциональны скоростному напору газа [2]:

АР = А

Gг

РРн

(7)

АР* = ^

(4)

где £ - коэффициент гидравлического сопротивления; и - скорость течения газа; р - плотность газа.

Для произвольного сечения топливной системы с площадью F выражение для скоростного напора можно записать в следующем виде:

где А = £Рнорм /(2Р2) . Значение величины А одинаково как для природного газа, так и для попутного нефтяного.

Используя выражение (7), можно выразить разницу давлений на участке от камеры сгорания до дозатора при использовании ПНГ через известную величину потерь давления при работе двигателя на природном газе:

(&П

Доз-КП1--АР Доз-КТ\ &

норм

АР* = АР* (&пг) х

Поз-КПГ — Поз-КТ\ Г^ / А

(8)

ри = р (&)2= (5)

2 = 2 ^рР' = 2рF ■ (5)

Плотность газа в рассматриваемом сечении можно выразить соотношением:

Р \2

р = рнорм

р = Р

норм

Р

(6)

где Р- давление в рассматриваемом сечении; рнорм - плотность газа при нормальных условиях; Рнорм = 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) -давление при нормальных условиях.

С учетом (5) и (6) выражение (4) запишется в виде:

РПГ^рПГнорм

где АРДоз. КПГ - потери давления на участке от дозатора до камеры сгорания при использовании ПНГ

АРДоз-КТ = РТ Доз Вых - Р К - известная разница давлений на участке от дозатора до камеры сгорания включительно при использовании природного газа (давление природного газа в полости за дозирующей иглой Р*Доз вых и давление в камере сгорания Р* измеряются при испытаниях двигателя); РТ и РПГ - давления природного и попутного нефтяного газов, соответственно, в рассматриваемом сечении топливной системы; р.

' 1 Тнорм

и рПГ норм - плотности природного и попутного газов, соответственно, при нормальных условиях.

Рассмотрим сечение топливной системы на выходе из форсунки. Давления РТ и РПГ в рассматриваемом сечении при одинаковой мощности работы двигателя будут одинаковы, поэтому:

Р Рп

Т _

= 1.

(9)

Отношение расходов ПНГ и природного газа в соответствии с выражением (2) будет обратно пропорционально отношению теплотворных способностей:

&ПГ = НиТ (10)

НиПГ

С учетом (9) и (10) выражение для разницы давлений попутного газа на участке от дозатора до камеры сгорания окончательно запишется в следующем виде: / Н \2

ДР* = АР* ( иТ ) х

НиПГ

х р>Тнорм . (11)

ПГнорм

Разница давлений газа перед дозатором и за дозатором АР*Г-Доз известна и определяется газодинамическими характеристиками двигателя.

Рассмотрим вышеприведенный расчет на примере ГТУ НК-16СТ номинальной мощностью 16 МВт со свободной турбиной на 5300 об/мин. Для привода электрогенератора применен редуктор, понижающий частоту вращения ротора до 3000 об/мин. В расчете используются параметры двигателя НК-16СТ без учета влияния генератора электрического тока и котла - утилизатора тепла выхлопных газов.

Задаются условия, при которых объем ПНГ достигает 80 тыс. м3/сут. При этом от сепаратора высокого давления (давление газа в среднем 2,5 атм, или 0,253 МПа) поступает 80 % от общего объема газа, а от сепаратора низкого давления (давление газа почти равно атмосферному) -20 %. Состав и основные свойства условного топливного газа приведены в таблице.

В нижеприведенных расчетах величинам, относящимся к газу высокого давления, присвоен

«V

МЕТАЛ Л 006

15-19 мая 2017

Россия, Москва, ЦВК «Экспоцентр»

шглмлг.теМЬгахрол1*^

о" * «4

МИНПРОМТОРГ к РОССИИ

18-я международная специализированная выставка

^ЭКСПОЦЕНТР

Оборудование, приборы и инструменты для металлообрабатывающей промышленности

При поддержке:

• Совета Федерации Федерального Собрания РФ

• Министерства промышленности и торговли РФ

• Союза машиностроителей России

Под патронатом Торгово-промышленной палаты РФ

+ см

СО

аз О-

Организаторы:

РОССИЙСКАЯ АССОЦИАЦИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

^ЭКСПОЦЕНТР

СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНОИ ПРОДУКЦИИ

МОСКВА «СТАНКОИНСТРУМЕНТ»

индекс I, и величинам, относящимся к газу низкого давления, -индекс II.

Прежде всего необходимо определить плотность попутного газа рПГ. Плотности газов высокого и низкого давления при температуре 20 °C (293 K) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) определяются через относительную плотность по воздуху:

Pi = Рвозд Pi = 1,430 кг/м3, Pii = Рвозд Pi = 2,000 кг/м3,

где р = 1,187, pil = 1,661 - относительные плотности газов высокого и низкого давления по воздуху по данным таблицы; рвозд = = 1,2041 кг/м3 - плотность воздуха при температуре 20 °C (293 K) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Средняя плотность ПНГ

Рпг :

Р-80 % + Рн-20 %

100 % = 1,544 кг/м3. (12)

Поверочный расчет плотности проведен с использованием данных химического состава газа из таблицы по формуле:

Z=■

1 Ю| \

M ш%)

(0,0224

293

моль 273

щ кг/м3, (13)

К)

где М, - молярная масса /'-го компонента газа, кг/моль; ю, - объемная доля /-го компонента газа, %; 0,0224 м3/моль - объем одного моля газа при температуре 0 °С (273 К) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Результаты поверочного расчета плотности незначительно отличаются от результатов основного расчета и составляют:

р, = 1,412 кг/м3,

р„ = 1,951 кг/м3.

Исходя из данных о плотности газов высокого и низкого давления определяются их низшие теплотворные способности:

Ни, = Н^/р, = 27 249 кДж/кг,

Нш = Ни°/7р„ = 45 650 кДж/кг,

5000 4750 4500 4250 £ 4000 к £ 3750 а. СЗ 3500 3200 3000 2750 2500 45 00

00 46 00 47 00 48 00 49 n 00 50 'ндпр, 00 51 )б/мш 00 52 H 00 53 00 54 00 55

21 20 19 18 17 н 16 m 15 -, 14 CL s" 13 12 11 10 9 8 7 45

00

00 46 00 47 00 48 00 49 n 00 50 НДпр, 0 00 51 б/мин 00 52 00 53 00 54 00 55

Рис. 3. Сводная дроссельная характеристика двигателя НК-16СТ

где Н°б, Н°б - низшие теплотворные способности 1 м3 соответствующих газов при 20 °С.

Низшая теплотворная способность попутного газа:

H„

HUI-80 % + Hur20 % 100 % = 30 929 кг/м3.

(14)

Объемный расход попутного газа:

QПГ = X = 3333,3 м3/ч, (15)

где V = 80 тыс. м3 - объем газа, ? = 24 ч - время, за которое выделяется данный объем газа.

Массовый расход попутного газа:

GПГ = QПГ рПГ = 5146,6 кг/ч. (16)

Согласно выражению (2) эквивалентный расход природного газа составит:

GТ = впг1НиПГ = 3194,2 кг/ч,

НиТ

где НиТ = 49840 кДж/кг - низшая теплотворная способность природного газа.

По сводным дроссельным характеристикам двигателя НК-16СТ (рис. 3) и вычислен-

3

м

Рис. 4. Давление воздуха за компрессором и природного газа

ному расходу природного газа определяется мощность, реализуемая на валу свободной турбины в условиях ГТЭ при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) и температуре 15 °С (288 К) [3]. Реализуемая мощность составляет Мпр = 12,3 МВт при частоте вращения ротора НД лНДпр = 4960 об/мин.

На рис. 4 представлены результаты измерения давления воздуха за компрессором РК* и давления природного газа в полости за дозирующей иглой рТ*Доз Вых. Исходя из этого определяется дав-

ление воздуха за компрессором РК* = 7,6 кгс/см2 (0,746 МПа), соответствующее частоте вращения ротора НД лНДпр = 4960 об/мин.

Давление природного газа в полости за дозирующей иглой на режиме лНДпр = 4960 об/мин, Рт*доз вых = 10,6 кгс/см2 (1,04 МПа). Таким образом, разница давлений природного газа на участке от дозатора до камеры сгорания составит:

др* = р * _ р* =

^ Доз-КТ ГТ Доз Вых ГК -

= 3,0 кгс/см2 = 0,294 МПа.

С использованием выражения (8) определяется разница давлений попутного газа на участке от дозатора до камеры сгорания:

' НиТ )2 Ргнорм = ' Р =

г'иПГ ^ПГнорм

: 0,336 МПа,

др* = др* ( НиТ )2 ^ Доз-КТ = ^ Доз-КТ \и I

= 3,4 кгс/см2 :

где Рт норм = 0,68 кг/м3.

Разница давлений газа перед дозатором и за дозатором на данном режиме составляет

др*ПГ-Доз = 2,0 кгс/см2 = 0,196 МПа.

Согласно выражению (2) давление попутного газа на входе в топливную систему на данном режиме работы двигателя составит:

р* = р * + др* +др*

г ПГ - ГК + ^ Доз-К +1ЛГ ПГ-Доз -

= 13 кгс/см2 =1,28 МПа.

Таким образом, на двигателе НК-16СТ при использовании в качестве топлива ПНГ с расходом 3333,3 м3/ч можно обеспечить мощность Мпр = 12,3 МВт. При этом необходимо увеличить давление газа на входе в двигатель до 13 кгс/см2 (1,28 МПа).

Уровень открытия дозатора газа при работе двигателя на постоянном режиме с ПНГ можно определить при помощи зависимости:

^ _ рДозПГ = ^ПГ Ргн

ДУС Т ■

Доз Т

Gт Р,

Тн°рм = 0,7 < 1,

Т ^ПГнорм

где ГДУС Т - площадь дозирующего отверстия при работе двигателя на природном газе; FДУС ПГ - площадь дозирующего отверстия при работе двигателя на ПНГ То есть при использовании попутного газа заданного состава с заданным расходом доработка топливной системы не потребуется.

В настоящее время более чем на 30 электростанциях Управления внутрипромыслового сбора и использования нефтяного газа ОАО «Сургутнефтегаз» двигатели НК-16СТ используются в качестве приводов энергоустановок, работающих на ПНГ [4, 5].

Следует отметить, что применение данного вида топлива не ухудшило эксплуатационных ха-

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗА В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

№ 5 | 752 | 2017 г.

Компонентный состав и свойства газа

Параметр Газ высокого давления Газ низкого давления

Давление при отборе, МПа (изб.) 0,203 0,003

Процентное содержание от общего объема, Y, % 80 20

Относительная плотность по воздуху, р 1,187 1,661

Низшая теплота сгорания при 20 °С, Н°б, кДж/м3 38 965,42 91 299,69

Газ Молярная масса М ,, кг/моль Объемная доля, ш,, %

Углекислый газ СО2 0,044 1,37 0,84

Азот N 0,028 48,72 0,68

Метан СН4 0,016 7,68 0,55

Этан С2Н6 0,030 15,73 21,37

Пропан С3Н8 0,044 15,74 41,63

Изобутан С4Н10 0,058 2,75 10,33

Н-бутан С4Н10 0,058 4,86 16,83

Изопентан С5Н12 0,072 1,23 4,17

Н-пентан С5Н12 0,072 0,90 2,39

Гексан + высшие С6Н14 0,086 1,02 1,21

рактеристик двигателя и не повлияло на надежность запуска. Замечаний по состоянию камеры сгорания по результатам осмотра при проведении регламентных работ нет, что, в свою очередь, достигнуто за счет проведения мероприятий по защите элементов жаровой трубы нанесением специального покрытия, которое позволяет минимизировать кор-

розионное воздействие примесей, имеющихся в ПНГ, на металл.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета возможных режимов работы ГТУ при использовании в качестве топлива ПНГ

2. Использование в качестве топлива ПНГ рассмотренного состава (табл.) с расходом

80 тыс. м3/сут и давлением 0-2,5 атм (0,253 МПа) позволяет осуществить работу двигателя НК-16СТ на режимах, соответствующих мощности 12,3 МВт, при условии увеличения давления газа на входе в двигатель до не менее 13 кгс/см2 (1,28 МПа).

3. Изменения топливной аппаратуры не требуется. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов А.В. Опыт создания и доводки низкоэмиссионной камеры сгорания ГТУ НК-16СТ // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2009. № 9-10. С. 99-107.

2. Старцев Н.И. Конструкция и проектирование камеры сгорания ГТД. Самара: СГАУ, 2007. 120 с.

3. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В. и др. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. Самара: СНЦ РАН, 2004. 266 с.

4. Внедрена в эксплуатацию вторая очередь Рогожинской ГТЭС // Газотурбинные технологии. 2010. № 8 (89). С. 33.

5. Костян И.И. Динамические режимы работы газотурбинных энергоблоков поставки ПАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» // Газотурбинные технологии. 2014. № 4 (123). С. 20-23.

REFERENCES

1. Markushin A.N., Merkushin V.K., Byshin V.M., Baklanov A.V. Experience of Creating and Finishing a Low Emission Combustion Chamber

of HK-16CT GTP. Izvestiya vuzov. Problemy energetiki = Bulleting of Higher Educational Institutions: Issues of the Power Industry, 2009, No. 9-10, P. 99-107. (In Russian)

2. Startsev N.I. Structure and Design of the Combustion Chamber of GTP. Samara State Aerospace University, 2007, 120 p. (In Russian)

3. Gritsenko E.A., Danilchenko V.P., Lukachev S.V., et al. Conversion of Aviation GTP into Gas Turbine Plants of Ground Use. Samara Research Center of the Russian Academy of Sciences, 2004, 266 p. (In Russian)

4. The Second Line of the Rogozhinsk Gas-Turbine Power Plant. Gazoturbinnye tekhnologii = Gas Turbine Technologies, 2010, No. 8 (89), P. 33. (In Russian)

5. Kostyan I.I. Dynamic Operating Regimes of Gas Turbine Power Generating Units of Supply of «Frunze Sumskoe Research and Production Association». Gazoturbinnye tekhnologii = Gas Turbine Technologies, 2014, No. 4 (123), P. 20-23. (In Russian)