Комбинированные тепловые схемы газотурбинных установок

 

Анализ вариантов утилизации тепла отработавших газов (ОГ) ГТУ и используемых для их реализации диапазонов температур позволяет сделать вывод о необходимости разработки комбинированных высокоэкономичных схем. Разработка вариантов комбинированных схем газотурбинных установок (КГТУ) вполне может быть реализована студентами при дипломном проектировании.

Все комбинированные схемы предполагают сочетание различных вариантов утилизации тепла ОГ ГТУ с вводом пара в камеру сгорания. Этот способ утилизации тепла ОГ ГТУ, ранее именовавшийся как контактные или форсированные ГТУ, в настоящее время получил название монарных парогазовых установок, поскольку рабочее тело в газовой турбине представляет собой смесь различных газов с перегретым паром, полученным в утилизиационном теплообменнике (воздух, продукты сгорания углеводородного топлива (углекислый газ СО₂ и пары воды Н₂О) и вводимый дополнительно в камеру сгорания, сухой перегретый пар). Такие монарные комбинированные газотурбинные установки МК ГТУ в настоящее время находят все большее применение, поскольку они обеспечивают значительное повышение мощности и КПД, быструю окупаемость и улучшение экологической обстановки в районе объекта.

С учетом сказанного можно предложить следующие усложненные комбинированные варианты тепловых схем монарных установок: монарная с регенерацией; монарная с теплофикацией; монарная с регенерацией и теплофикацией.

Обобщенная формула для определения эффективного КПД таких установок буден выглядеть следующим образом:

 

,

 

где: - относительные расходы соответственно газа, пара, охлаждающего воздуха;

; ; -удельная изоинтропийная работа соответственно турбины по газу и пару и компрессора;

η_т; η_мт: η_к; η_псв- КПД соответственно внутренний турбины; механический турбины; компрессора; подогревателя сетевой воды (котла-утилизаторв);

Н_псвг; Н_псвп - удельная теплота теплофикации соответственно по газу и пару;

q_ксг; q_ксп - удельное количество тепла, подводимое в камере сгорания соответственно к газу и пару;

μ_в -коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха;

ε - относительное время работы с теплофикацией в год.

По этой формуле были выполнены сравнительные расчеты различных вариантов тепловых схем МКГТУ.

В качестве базового варианта принята газотурбинная установка ГТН-25-1 с параметрами:

Температура воздуха Т₃= 288К; начальная температура газа перед турбиной Т₁==1343К; степень повышения давления π =12,8; КПД турбины η_т=0,88; КПД компрессора η_к=0,85; механический КПД η_мт=0,98; КПД подогревателя сетевой воды η_псв=0,94; температурный коэффициент τ = 0,215; относительный расход газа ; относительное значение пара, вводимого в КС α = ; степени регенерации μ =0,8; коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха μ_в=0,4; относительный расход воздуха на охлаждение ; относительное время работы с теплофикацией в год ε = 0,58; температура газов, покидающих утилизационный теплообменник Т_ух=393К (120˚С). Результаты расчета представлены в табл.5

Из сравнения показателей табл. 5 видно, что максимальной эффективностью обладает монарная установка с регенерацией и теплофикацией. Принципиальная тепловая схема такой комбинированной монарной установки представлена на рис. 5. В этой схеме предусматривается также установка воздушного конденсатора (аппарата воздушного охлаждения, АВО) с целью получения технического дистиллата с последующим его накоплением и использованием (также, как в установке «Водолей» [9,10]).

Таблица 5

Технико-экономичесие показатели вариантов тепловых схем газотурбинных и монарных установок

№ п/п	Вариант тепловой схемы	Эффективный КПД установки ηе	Коэффициент полезной работы	Относительная стоимость установки
1.	Простейшая ГТУ	0,33	0,4
2.	Регенеративная ГТУ	0,43	0,4	1,75
3.	ГТУ с теплофикацией при ε = 0,58	0,64	0,4	1,5
4.	Бинарная ПГУ	0,43	0,4	2,5
5.	Контактная (форсированная) ГТУ (простейшая монарная)	0,44	0,51	1,45
6.	Монарная с регенерацией	0,53	0,51
7.	Монарная с теплофикацией при ε = 0,58	0,71	0,51
8.	Монарная с регенерацией и теплофикацией при ε = 0,58	0,81	0,51	2,3
9.	«Водолей», Украина	0,43	0,51
10.	«STJG» США	0,43	0,51	1,75

 

Однако, подобные сложные комбинированные монарные установки требуют значительного времени и затрат по их освоению. Поэтому на первом этапе целесообразно использовать упрощенные тепловые схемы монарных установок типа «Водолей» и «STJG» с вводом горячей воды (пара) в КС не более 15% от расхода воздуха через компрессор.

На первом этапе освоения монарных установок такие схемы должны найти широкое применение, поскольку они при сравнительно малых дополнительных затратах обеспечивают значительное повышение мощности и КПД ГТУ и улучшают экологическую обстановку в районе объекта. Примером такой упрощенной схемы монарной установки может служить схема представленная на рис. 6 [6 ].

Известно, что ввод воды (пара) в камеру сгорания помимо увеличения мощности и КПД ГТУ резко уменьшает выброс вредных соединений (главным образом оксидов азота) в атмосферу. Ещё большего эффекта в подавлении образования оксидов азота можно добиться, если в камеру сгорания вводить не воду, а слабый водный раствор карбамида, а в выходной тракт ГТУ впрыскивать небольшое количество аммиачной воды (1-2% от расхода воздуха рис.6).

Процесс восстановления оксидов азота осуществляется в два этапа.

Этап 1: восстановление монооксида азота NO до молекулярного азота в количестве, достаточном длч получения в дымовых газах эквимолекулярной смеси (50%: 50%) моноокиси NO идвуокиси NO₂ азота. Процесс восстановления осуществляется фиксированным вводом в камеру сгорания через паровой эжектор раствора карбамида в зону с температурой t = 1100˚С (между корпусом и жаровой трубой КС). Процесс идет по реакции

(NН₂)₂ СО + 6NО = 5N₂+4Н₂О+2СО₂.

 

На первом этапе содержание оксидов азота в отработавших газах снижается на 70-80%.

Этап 2: связывание эквимолекулярной смеси оксидов азота аммиачной водой в нитрат аммония с разложением последнего до молекулярного азота. Вода вводится в выходной тракт ГТУ. Процесс идет по реакциям:

NН₄СН + N₂О₃ → 2NН₄ NО₂ +Н₂О,

 

а поскольку температура выхлопа составляет t₂ 500˚С, одновременно происходит реакция разложения нитрата аммония:

NН₄ NО₂→N₂+2Н₂О.

 

На втором этапе содержание оксидов азотв снижается еще на 50-60% от оставшихся и общее снижение NО₂ достигает 80-90%.

Для повышения мощности ГТУ в сухое ижаркое время года целесообразно использовать автоматизированную систему водоиспарительного охлаждения (ВИО). В этом случае на входе в компрессор за счет испарения воды снижается температура всасываемого воздуха и полезная работа ГТУ увеличивается. Во избежание попадания в компрессор избыточной влаги и влажного сжатия состояние вождуха на входе в компрессор поддерживается на линии насыщения (точка росы) с помощью психрометра, воздействующего на количество подаваемой в систему ВИО воды.

К воде, впрыскиваемой в камеру сгорания и для водоиспарительного охлаждения, предъявляются те же жесткие требования по содержанию солей, что и для паротурбинных установок, т.е. должны использоваться технический дистиллат и химически очищенная вода. Поэтому подобные схемы должны быть оборудованы системой ХВО (химической очистки) и воздушными конденсаторами (аппараты воздушного охлаждения, АВО) для получения технического дистиллата из отработавших газов ГТУ и его накопления в емкостях.

Работы по переводу ГТУ в упрощенные монарные могут быть выполнены на работающих установках в период их ремонтов.

Таким образом, предлагаемая упрощенная тепловая схема монарной установки при количестве впрыскиваемой воды в камеру сгорания 15% (по массе) от расхода воздуха через компрессор может обеспечить значительное повышение экономичности (повышение КПД порядка 10%) и мощности (порядка 30%) установки и существенное улучшение экологической обстановки в районе объекта при сравнительно невысоких дополнительных затратах (порядка 50% от стоимости установки).

 

6.
Комбинированные теплообменные аппараты

Разработка и внедрение новых комбинированных тепловых схем ГТУ требует создания более совершенных унифицированных теплообменных аппаратов, способных обеспечить одновременно регенерацию и теплофикацию, регенерацию и получение пара с последующим его вводом в камеру сгорания или регенерацию, теплофикацию и получение пара с вводом в КС в целом. В настоящее время все газотурбинные установки выпускаются с выходными патрубками, к которым с помощью переходных устройств может быть подсоединено практически любое теплообменное оборудование. В связи с этим заводы-изготавители перешли на изготовление унифицированных теплообменников секционного типа специальной конструкции.

Студент-дипломник, разрабатывающий тот или иной вариант ГТУ должен ориентироваться на передовой опыт применения комбинированных теплообменников в газотурбиностроении в частности унифицированных регенераторов.

На многих газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов ОАО"ГАЗПРОМ" установлены газотурбинные агрегаты мощностью 6 и 10 МВт с регенеративным циклом. На этих агрегатах применены пластинчатые регенераторы, которые при работе в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок, выходят из строя и требуют замены из-за потери плотности, так как практически неремонтопригодны.

Для обеспечения замены пластинчатых регенераторов, потерявших плотность, в 1990 году было принято решение освоить на ОАО “Машиностроительный завод ЗиО-Подольск” производство надежных, эффективных трубчатых регенераторов, способных стабильно работать в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок. Конструкции трубчатых регенераторов, создаваемых на заводе, разработаны на основе проверенного отечественного и зарубежного опыта разработки и производства трубчатых регенераторов с учетом технологических возможностей завода, и имеющихся наработок по проектированию, изготовлению оборудования АЭС и эксплуатации аналогичного теплообменного оборудования.

В соответствии с исходными требованиями ОАО "Газпром" на "'ЗиО'" в 1991 году был разработан головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 со степенью регенерации 0,81 для замены пластинчатою регенератора (с фактической степенью регенерации ~ 0,65) для газотурбинного агрегата ГТК-10-4

В процессе разработки были проведены научно-исследовательские, расчетные и опытно-конструкторские работы в обоснование конструкции регенератора, проведены тепловые, гидравлические, термоциклические испытания на моделях. Большое внимание уделялось надежности и технологичности конструкции, отработке узла заделки труб в трубных досках с помощью вальцовки и сварки, их стойкости к термоциклическим нагрузкам, обеспечению плотности, компенсации температурных расширений. Полученные результаты испытании и исследовании были заложены в расчетные модели, программы, в тепловые, гидравлические и прочностные расчеты, расчеты температурных полей.

Головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 изготовленный на "ЗиО", был смонтирован и' прошел испытания на Писаревском ЛПУ МГ "Волгоградтрансгаз". В результате испытаний установлено повышение мощности агрегата с 6,5 МВт (при пластинчатом регенераторе) до 9,2 МВт и увеличение эффективного КПД агрегата до 30.3%. Начиная с 1993 г. регенератор обеспечивает устойчивую и надежную работу агрегата, экономию природного газа и снижение эксплуатационных расходов. Аналогичные результаты получены на многих компрессорных станциях при эксплуатации подобных вертикальных трубчатых регенераторов типа РВП-3600-02.

За период с 1992 г. по настоящее время на "ЗиО" разработано, изготовлено 10 типов регенераторов. В настоящее время заводом поставлено более 210 комплектов регенераторов, их характеристики представлены в таблице. Регенераторы выполняются двухсекционными. Каждая секция корпусного регенератора представляет собой прямотрубный осесимметричный кожухотрубчатый аппарат с компенсатором на корпусе. Продукты сгорания двигаются внутри труб, воздух многократно омывает трубы в межтрубном пространстве за счет установки перегородок. Симметричная конструкция и наличие компенсатора на корпусе секции обеспечивают компенсацию разности температурных расширений корпуса и труб. Трубы закреплены в трубных досках вальцовкой и сваркой по отработанной на заводе технологии, что позволяет повысить надежность конструкции, устранить утечки воздуха. Трубчатый регенератор удобен в эксплуатации, ремонтопригоден, конструкция позволяет при необходимости выполнять ремонт узла соединения труба - трубная доска и глушение труб в случае возникновения неплотностей. В конструкции применены углеродистые и низколегированные стали, качество которых проверено в течение многолетнего сотрудничества с российскими предприятиями. Для элементов, работающих при температурах до 450°С, применяются стали 22К, 16ГС, 09Г2С, при более высоких температурах (до 550°С) - стали 12ХМ, 15ХМ, трубы из стали 15ХМ. Конструкторские решения и материалы, принятые в проектах регенераторов, подтверждены тепловыми, аэродинамическими, прочностными и коррозионными испытаниями, а также металлографическими и технологическими исследованиями. В процессе изготовления были уточнены требования по консервации и расконсервации перед эксплуатацией регенераторов, повышено качество изготовления.

Качество регенераторов, изготовленных на "ЗиО", гарантировано многолетним опытом производства на заводе аналогичного теплообменного оборудования, наличием квалифицированных специалистов, современного технологического и сварочного оборудования, неразрушающих методов контроля и служб контроля качества. Основное внимание уделяется обеспечению надежности. Срок службы регенераторов составляет не менее 20 лет, ресурс работы не менее 120 тыс. час., число циклов (пуск/остановок) - не менее 1000. Трубчатые регенераторы, изготовленные "ЗиО" отвечают требованиям промышленной безопасности ПБ 10-115-96.

Регенераторы комплектуются трубопроводами обвязки, газоходами до здания КС, площадками с лестницами, стальными опорными конструкциями, дымовыми трубами и дополнительными элементами по требованию заказчика.

Для модернизации агрегатов ГТК- 10-4 завод разработал, серийно изготовил и поставил 38 вертикальных трубчатых регенераторов РВП-3600-02, разработанных на основе регенератора РВП-3600-01 с учетом пожеланий заказчиков по улучшению условий монтажа, (боковой подвод продуктов сгорания, поворотное устройство, устанавливаемое на нулевой отметке).

С 1998 года заводом освоено производство вертикальных регенераторов РВП-3600-03, секции которых на 5 т легче секций РВП-3600-02 за счет применения длинномерных труб (шесть ходов по воздуху вместо четырех) и снижения металлоемкости корпуса. В следующей модификации дополнительное снижение массы секции регенератора типа РВП-3600-03 достигается применением тонкостенных труб с толщиной стенки '0,8 мм (вместо 1 мм). Применение таких труб для РВП-3600-04 позволило снизить массу секции еще на 5 т. при сохранении остальных основных характеристик. Завод изготовил головной образец РВП-3600-04, который смонтирован, испытан и пущен в эксплуатацию на КС Александров Гай "Югтрансгаза".

Для комплектации вертикальных регенераторов типа РВП-3600-02, РВП-3600-03, РВП-3600-04 агрегатов ГТК-10-4 разработана техдокументация и изготавливаются байпасные утилизационные теплообменники УТБ- 1,5-0,6 и УТБ-1,5-0,6-130 мощностью 1,5 МВт и температурой воды на выходе 115 и 130°С, соответственно. Выпущенные заводом и смонтированные регенераторы РВП-3600-02 могут быть доукомплектованы запасными утилизаторами по заявке заказчиков.

По специальному заказу "Сургутгазпрома" для модернизации агрегатов ГТК-10-4 были разработаны трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800, которые из условий имеющихся ограничений по габаритам и несущей способности существующих фундаментов выполнены со степенью регенерации 0,68, относительным суммарным сопротивлением 4,2 % и уменьшенной массой секции до 24 т. Секции РГУ-1800 устанавливаются на фундаменты заменяемых секций пластинчатого регенератора с помощью переходных опорных рам при минимальном объеме работ при монтаже. Повышение эффективности следующих модификаций на основе РГУ-1800 было достигнуто за счет интенсификации теплообмена путем нанесения на теплообменные трубы внутренних периодически повторяющихся выступов. Выступы формируются путем наружной обкатки труб специальным инструментом.

Трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800-01 с интенсификаторами теплообмена имеют степень регенерации 0,73, суммарное относительное сопротивление - не более 5%, масса секции - не более 24 т. Приёмочные испытания головных регенераторов РГУ-1800-01 проведены на КС “Урдома” и "Синдора" "Севергазпрома". Полученные результаты подтвердили заложенные в проекте характеристики. Мощность модернизируемых агрегатов практически восстановлена до проектной.

Регенераторы РГУ-1800-01 комплектуются полнопоточными утилизаторами типа УТ-1,5-0,6 (рис.7) или УТ-2,5-0,6 (рис.8) и байпасным утилизатором типа УТБ-3,5-0,6 УХД.

Для "Мострансгаза" (КС "Алгасово") и "Тюментрансгаза" были разработаны и поставлены новые модификации регенераторов РГУ-1800-02, которые отличаются от РГУ-1800-01 присоединительными размерами и отсутствием утилизаторов тепла

Для модернизации агрегатов типа ГТ-750-6 были разработаны и изготовлены горизонтальные регенераторы РВП-2400.

Регенератор РВП-2400 горизонтального типа для агрегата ГТ-750-6 прошел испытания на Воскресенском ЛПУ "Мострансгаз'". Результаты испытаний показали, что характеристики регенератора соответствую технической документации Для различных компоновок компрессорных станций типа КС “Воскресенск”, КС "Острогож" ("Алтай"') для "Мострансгаз" и "Югтрансгаз" с регенераторами типа РВП-2400 разработана техдокументация и изготавливаются трубопроводы обвязки секций. Трубопроводы могут поставляться как в комплекте с регенераторами РВП-2400, так и отдельно по заявке Заказчика.

Для агрегатов типа ГТ-750-6М на КС "Острогоржск" "Мострансгаза"'. имеющие ограничения по компоновке, разработан и изготовлен вертикальный трубчатый регенератор РВП-2400-01 (рис.9) с массой секции 34 т с полнопоточными утилизаторами УТ- 1,75 -0,7.

Для "Югтрансгаза" разработана, изготовлена и поставлена унифицированная конструкция регенератора РВП-2400-01 с байпасным утилизатором тепла.

Регенераторы производства ОАО "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск" кожухотрубчатого типа с компенсатором на корпусе надежные в эксплуатации, головной образец, например, в течении 10 лет работает без потери плотности. Степень регенерации их выше заменяемых пластинчатых регенераторов. Конструкция ремонтопригодна позволяет при необходимости провести глушение любой теплообменной трубы. К недостаткам кожухотрубчатых регенераторов типа РВП-3600 и РВП-2400 при замене существующих пластинчатых следует отнести их металлоемкость, затраты на доставку, монтаж с применением большегрузной техники и укреплением фундаментов при необходимости.

Перспективные разработки ОАО "ПК ЗиОМАР" направлены на усовершенствование существующих и создание новых конструкций регенераторов - хорошо вписывающихся в компоновку КС позволяющих проводить монтаж без использования большегрузной грузоподъемной техники без демонтажа дымовой трубы и утилизационного теплообменника.

Для агрегатов типа ГТК-10-4, эксплуатирующихся на компрессорных станциях магистральных газопроводов, расположенных в северных и труднодоступных районах, имеющих ограничения по возможности доставки грузов и грузоподъемной техники, при модернизации и капитальном ремонте рекомендуется применять блочно - секционные регенераторы. Блочно -секционные регенераторы поставляются на монтаж транспортабельными блоками небольшой массы по 5... 10 т.

Учитывая опыт изготовителя, монтажа и испытаний блочно секционных регенераторов других предприятий, а так же требования заказчиков ОАО ИК «ЗИОМАР» был разработан и на ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО - Подольск» изготовлен головной образец блочно - секционного регенератора РВП-ЗОООБС.

РВП-ЗОООБС собирается из транспортабельных блоков максимальной заводской готовности. Технические характеристики и компоновка РВП-ЗОООБС представлена на рис.10.

Регенератор состоит из двух секций, каждая секция из четырех теплообменных блоков массой не более 7,1 т_; поставляемых на монтаж конфузора, диффузора, элементов трубопроводов воздуха, компенсатора газохода, опорных рам. Поверхность нагрева трубного пучка теплообменного блока выполняется из труб сталь 15ХМ, воздух движется в грубном пространстве, продукты сгорания - в межтрубном пространстве. Закрепление труб в трубные доски - на вальцовке и сварке. При монтаже первый теплообменный блок устанавливается на опорные (переходные) рамы (закрепляемые на имеющихся свайных фундаментах) и последовательно устанавливаются остальные 3 блока проводится сварка по коллекторам и обшивке. Затем монтируется диффузор, конфузор, трубопроводы воздуха, компенсатор газохода и другие элементы.

Разработан новый блочно - секционный регенератор РВП-ЗОООБС-01 с массой секции до 1 8т, массой поставочных блоков до 5т. В настоящее время ведется производство серии новых блочно - секционных регенераторов РВП-ЗОООБС-01(рис.11).

Основное направление перспективных разработок регенераторов направлено на снижение массы поставочных блоков, стоимости, повышение их технологичности и надежности.

Номенклатура регенераторов производства ОАО "Машиностроительный завод ЗиО-Подольск" предоставляет Заказчику широкий выбор типов регенераторов в зависимости от расположения, компоновки и мощности агрегатов КС.

ОАО "ИК ЗИОМАР" и "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск" с участием заинтересованных организаций работают над дальнейшим совершенствованием трубчатых регенераторов, ведутся работы по оптимизации и унификации конструкций, снижением массы поставочных узлов. ОАО "ИК ЗИОМАР" и ОАО "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск” имеют возможность разработать и изготовить регенераторы вертикального и горизонтального исполнения по требованиям заказчиков для. перспективных газотурбинных установок с регенеративным циклом. Возможна поставка регенераторов в комплекте с утилизаторами. Завод имеет технологические и производственные возможности по наращиванию выпуска регенераторов.