CC BY
177
УДК 621.438
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ГТУ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ
И.К. Шаталов, М.В. Лобан
Кафедра теплотехники и турбомашин Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6,
Рассматриваются способы утилизации тепла уходящих газов ГТУ, приводящей нагнетатель газа компрессорной станции. Наиболее перспективным является комбинированный способ: включение ГТУ в состав ПГУ с котлом-утилизатором, подогрев сетевой воды в тепловом насосе и газоводяном теплообменнике.
К основным требованиям к газотурбинной установке (ГТУ) для привода нагнетателя газа на газоперекачивающих станциях наряду с надежностью и требуемым межремонтным ресурсом относятся их экономичность и экологическая безопасность. В последнее десятилетие, благодаря целенаправленным усилиям [1], происходит качественное улучшение показателей ГТУ, как экономических - КПД, так и экологических - снижение вредных выбросов в атмосферу. Парк газотурбинного привода на компрессорных станциях обновляется за счет ГТУ нового поколения, разработанных на базе передовых авиационных технологий, в которых роста экономичности удалось добиться в основном за счет повышения начальной температуры газа, степени повышения давления в компрессоре и совершенствования отдельных элементов. Например, ГТУ для привода нагнетателя газа на базе авиационного ГТД ПС-90А (рис.1) имеет следующие параметры:
Мощность ГТУ
Температура газа перед турбиной Температура воздуха на входе в компрессор Степень повышения давления в компрессоре Расход воздуха
Температура газа на выходе из ГТУ КПД установки Вид топлива
N/-¡=12 МВт Т,*=1353 К Тн*=288К я к=16 45,8 кг/с Т*=761 К Че=0,34 Природный газ
Рис. 1. Принципиальная схема двухвальной газотурбинной установки:
К - компрессор; КС - камера сгорания; ТК - турбина компрессора;
ТС - силовая турбина; НГ - нагнетатель газа
Как видно из технических данных, ГТУ на базе авиационного ГТД ПС-90А имеет экономичность (г|с=0,34), г.е. более высокую по сравнению с ГТУ промышленного типа. Дальнейшее повышение экономичности ГТУ для привода нагнетателя газа может быть осуществлено за счет утилизации тепла уходящих из ГТУ газов.
Ниже рассматриваются некоторые из возможных способов утилизации уходящих газов ГТУ.
1. Регенерация тепла.
Анализ различных способов утилизации тепла уходящих газов ГТУ промышленного типа дается в [2].
Одним из способов утилизации является использование тепла уходящих из газовой турбины газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха. Этот способ весьма эффективно и широко применяется в ГТУ для привода нагнетателей газа, имеющих невысокие степени повышения давления (ГТК-10), и позволяет экономить 25...28% топлива. Повышение экономичности ГТУ достигается за счет использования теплоты отработавших в турбине газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха. Для этого воздух после компрессора (рис.2) пропускают через регенератор, который представляет собой теплообменный аппарат поверхностного типа. В тот же регенератор после газовой турбины направляются уходящие газы, которые отдают часть своей теплоты воздуху и затем удаляются в атмосферу.
Рис. 2. Принципиальная схема двухвальной газотурбинной установки с регенерацией:
К - компрессор; КС - камера сгорания; ТК - турбина компрессора;
ТС - силовая турбина; Р - регенератор.
Регенерация как способ повышения экономичности ГТУ продолжает совершенствоваться за счет замены пластинчатых регенераторов (степень регенерации 0,7) на трубчатые регенераторы (степень регенерации 0,81 ...0,82) [1].
Учитывая, что ГТУ на базе авиационного ГТД имеют высокие степени повышения давления, целесообразно для них применить другие способы производства тепла.
2. Теплофикационный вариант.
Рис. 3. Принципиальная схема газотурбинной теплофикационной установки:
1 - компрессор, И - турбина, III - генератор, IV - камера сгорания, V - теплообменник
Газы с высокой температурой на выходе из силовой турбины используются для нагрева сетевой воды в подогревателях (рис.З). Использование тепла уходящих газов для теплофикационных целей получило самостоятельное развитие в теплоэнергетике в качестве газотурбинных теплофикационных установок. Уже работающие турбины, например, ГТЭ-45 (ХТГЗ), ГТГ-16 (Машпроект) имеют высокие коэффициенты использования тепла (до 85%) [3].
Как показывают расчеты, теплофикационный вариант утилизации тепла уходящих газов (рис.З) для ГТУ на базе авиационного ГТД ПС-90А позволяет получить коэффициент использования тепла 80...82%. Однако главным препятствием в реализации этой схемы в условиях компрессорной станции является отсутствие постоянного потребителя.
3. ГТУ в схеме ПТУ с котлом-утилнзатором.
В настоящее время распространение получили ПТУ трех типов: со сбросом уходящих газов ГТУ в парогенератор обычного типа (сбросные ПТУ); ПГУ с котлом-утилизатором; ПГУ с высоконапорным парогенератором. Наибольшее распространение получили ПГУ с котлом-утилизатором, как наиболее совершенные с термодинамической точки зрения бинарного цикла. Однако для получения наибольшего эффекта в этом случае необходима высокотемпературная турбина. Экономичность ПГУ с котлом-утилизатором фирм «Вестингауз», «Дженерал Электрик», «Сименс» и «АВВ» достигает 55% [3].
авиационного ГТД ПС-90А:
К - компрессор ГТУ, ТК - турбина компрессора ГТУ, СТ - силовая турбина ГТУ, КС -камера сгорания ГТУ, КУ - котел- утилизатор, ПТ - паровая турбина, КО - конденсатор ПТУ, НГ- нагнетатель газа, Г - электрогенератор
Проект ПГУ на базе газотурбинной установки промышленного типа ГТН-25, разработанный ВНИПИЭнергопром совместно с ЦКТИ им. Ползунова [4], позволяет получить суммарный КПД 36,6%. ПГУ обеспечивает привод нагнетателя газа (ГТН-25) и выработку электроэнергии (паровая турбина ОК-18 Калужского турбинного завода).
В результате расчета схемы (рис. 4) были получены следующие параметры ГТУ: мощность ГТУ - 12 000 кВт; мощность ПТУ - 5 900 кВт; расход газа - 45,8 кг/с; давление в конденсаторе ПТУ - 7 кПа; КПД ПГУ - 43%. Таким образом, использование тепла уходящих из ГТУ газов в котле-утилизаторе с последующей подачей выработанного пара позволяет существенно увеличить экономичность установки.
4. Комбинированный способ утилизации тепла уходящих газов ГТУ. Дальнейшее повышение экономичности ГТУ может идти по пути усложнения тепловой схемы, путем комбинации уже известных методов утилизации тепла уходящих газов ГТУ, в том числе включением в тепловую схему теплового насоса.
Тепловые насосы, как способ преобразования нпзкопотенциального тепла в тепло более высокого температурного уровня, получили широкое распространение за рубежом. Они
применяются в системах горячего водоснабжения, вентиляции, различных технологических нужд (сушка древесины, дистилляция и т.д.). Количество ТН, находящихся в эксплуатации, исчисляется десятками миллионов в диапазоне мощностей от нескольких ватт до десятков МВт. При этом в качестве низкопотенциального тепла широко используются промышленные и бытовые стоки, воздух, морская, речная и озёрная вода, геотермальные и грунтовые воды. Единичная мощность ТН постоянно возрастает. Например, в составе теплонасосной станции (Стокгольм, Швеция) [5] используются тепловые насосы теплопроизводительностью 25 МВт, серийно выпускаемые фирмой «Зульцер». В России в настоящее время в силу ряда причин тепловые насосы не получили должного распространения. Однако все возрастающие проблемы в энергоснабжении, увеличение стоимости топлива и его транспорта, особенно в отдаленных районах, а также уже накопленный отечественной промышленностью опыт по выпуску и внедрению тепловых насосов большой единичной мощности (от 300 Вт до 9 МВт, АО «Энергия») позволяет надеяться на ускоренное развитие теплонасосной техники в России.
Схема, представленная на рис.5, реализует возможность комплексного использования тепла уходящих газов ГТУ. Кроме ГТУ, осуществляющей привод нагнетателя газа, в нее включены : котел-утилизатор (КУ), конденсационная паровая турбина, тепловой насос(ТН) и теплообменник. Тепло уходящих газов из ГТУ поступает в КУ, служащий для выработки пара, срабатываемого в паровой турбине, которая, в свою очередь, приводит во вращение генератор. Параллельно к элементу, осуществляющему охлаждение циркуляционной воды (градирня, брызгальный бассейн и т.д.), подключен тепловой насос, который является источником воды для горячего водоснабжения (55°С) и первой ступенью подогрева сетевой воды. Дальнейший подогрев сетевой воды осуществляется в теплообменнике.
Рис.5. Принципиальная тепловая схема установки с комбинированной утилизацией тепла
уходящих газов ГТУ:
К - компрессор ГТУ, ГК - турбина компрессора ГТУ, Р - регенератор ГТУ, СТ - силовая турбина ГТУ, КС - камера сгорания ГТУ, КУ - котел- утилизатор, ПТ - паровая турбина, КО - конденсатор ПТУ, ТН - теплонасосная установка, ТО - теплообменник, КГ -компрессор газа, Г - электрогенератор
Основные расчетные параметры схемы (рис.5): мощность ГТУ -12 ООО кВт; мощность ПТУ - 5900 кВт; теплопроизводительность теплового насоса - 8000 кВт;
теплопроизводительность теплообменника 1990 кВт; коэффициент использования тепла -81%.
Таким образом, из всех рассмотренных способов утилизации тепла уходящих газов ГТУ, наиболее перспективный - комбинированный способ, так как он обеспечивает высокий коэффициент использования тепла и дает возможность использовать теплоту топлива, подаваемого в камеру сгорания ГТУ комплексно - на привод нагнетателя газа, производство электроэнергии, обеспечение теплофикационных нужд и горячего водоснабжения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щуровский В. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов. //Газотурбинные технологии, июль-август, 1999 г., с. 8-13.
2. Евенко В.И., Парафейник В.П. Анализ некоторых схем утилизации теплоты уходящихгазов газотурбинного привода турбокомпрессорных агрегатов. //Теплоэнергетика, - 1998 -№12.
3. Газовые турбины в электроергетике. // Теплоэнергетика - 1996 - №4.
4. Шанин Б.В., Новгородский В.А. и др. Энергосбережение и Охрана воздушного бассейна при использовании природного газа. // Учебное пособие. Мин. общ. и среднего образования РФ. - Нижний -Новгород: НИГАСУ - 1998 - 335 с.
5. 25 MW Heat Pump in Sweden. Engineer - 1988 - Vol. 61 - № 687.
WAYS OF IMPROVING EFFICIENCY OF GAS TURBINE FOR GAS PUMP STATIONS
I. K. Shatalov, M.V. Loban
Department of Heat Engineering and Turbomashinery Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st., 6,117198, Moscow, Russia
Ways of imroving efficiency of gas turbine for gas pump stations are discussed. It is achieved by heat utilization of gas turbine waste gases Most perspective way is using combined cycle with heat recovery steam generator, heat exchanger and heat pump.
