Техническая характеристика ГТК-25

Газотурбинная установка ГТК-25, входящая в состав ГПА, предназначена для сжатия и транспортирования газа по магистральным газопроводам и служит приводом центробежного нагнетателя природного газа.

ГТК-25 является блочным автоматизированным агрегатом промышленного типа для бесподвальной установки на компрессорной станции (КС). ГТУ выполнена по простому циклу, трехвальной, с прямоточным движением рабочего тела и осевым входом в компрессор. Выхлоп продуктов сгорания в зависимости от конкретных условий компоновки КС может осуществляться вверх или в сторону. Агрегат размещается в легкосборном индивидуальном здании (укрытии) с разделительной стенкой между помещениями ГТУ и нагнетателя.

Газоперекачивающий агрегат ГТК-25 состоит из газотурбинной установки MS 5002 и центробежного нагнетателя типа PCL 804 - 2/36 B.

Основные параметры ГТК-25:

- мощность на муфте нагнетателя (при нормальных условиях по ГОСТ 20440-75), МВт 23,8;

- температура продуктов сгорания на выходе из силовой турбины, С 500;

- частота вращения вала турбины низкого давления, об/мин 4670;

- частота вращения вала турбины высокого давления, об/мин 5100;

- частота вращения вала силовой турбины, об/мин 4670.

- Основные параметры нагнетателя PCL 804-2/36 B:

- отношение давлений (степень сжатия) 1,45;

- мощность потребляемая (на муфте), МВт 21,6

- сжимаемая среда природный газ;

- мощность (объем), м3/ч 32604;

- мощность (вес), кг/с 355,6.

- Условия на стороне всасывания:

- молекулярный вес 16,3;

- давление, МПа (кгс/см²) 5,28 (52,8);

- температура, єС. 15.

- Условия на стороне нагнетания:

- давление, МПа (кгс/см²) 7,6 (76);

- температура, єС. 46;

- мощность, кВт 21580;

- скорость, об/ мин 4670;

- направление вращения (глядя со стороны привода) против часовой стрелки.

Оборудование, входящее в состав ГТУ:

- блок турбогруппы;

- система маслоснабжения;

- система автоматического регулирования (ССАР);

- установка воздушных маслоохладителей;

- система КИПиА;

- трубопроводы;

- КУВ;

Устройство и работа ГТУ

Газотурбинная установка состоит из:

- двух компрессоров: компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД);

- трех турбин: ТВД, ТНД и СТ.

Компрессор низкого давления, приводимый турбиной низкого давления и компрессор высокого давления, приводимый турбиной высокого давления, входят в блок газогенератора и служат для производства рабочего тела для силовой турбины.

Силовая турбина вместе с диффузором и выхлопным патрубком, образующие блок силовой турбины, являются приводом центробежного нагнетателя (ЦН).

ГТУ выполнена в общем корпусе цилиндрической формы, имеющем горизонтальный и ряд вертикальных разъемов.

Корпус турбокомпрессора состоит из корпусов компрессоров и турбин, в которых расположены корпуса подшипников со вкладышами для установки роторов КНД, ТНД, КВД-ТВД, СТ. Ротор ТНД проходит внутри ротора КВД-ТВД.

Для проворота ротора КВД-ТВД при пуске, служит валоповоротное устройство, а для проворота КНД-ТНД - мотор-редуктор.

Пуск агрегата осуществляется при помощи пускового турбодетандера, работающего на перекачиваемом газе.

ГТУ работает по схеме открытого цикла. Воздух из атмосферы через КУВ засасывается и последовательно сжимается сначала в КНД, а затем в КВД. Далее воздух попадает в камеру сгорания, куда подается и топливо. Продукты сгорания направляются на ТВД и ТНД, которые приводят КВД и КНД, затем поступают на СТ, вращающую нагнетатель.

После турбины продукты сгорания выбрасываются и атмосферу через дымовую трубу. ГТУ позволяет производить установку утилизатора тепла за турбиной с соответствующим уменьшением полезной мощности.

Общий корпус ГТУ состоит из всасывающей части КНД, корпуса КНД, корпуса блока среднеосевых компрессоров, корпуса КВД и корпуса турбины, соединенных между собой по вертикальным фланцам.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель (ЦН) типа 650 представляет собой полнонапорную двухступенчатую центробежную машину, предназначенную для параллельной схемы работы на КС. Вместе со вспомогательным оборудованием и первичными датчиками САУ нагнетатель смонтирован на раме и представляет собой транспортно-монтажный блок.

ЦН служит для сжатия природного газа и его перекачки по магистральным газопроводам.

Корпус ЦН изготавливается из высококачественных конструкционных сталей.

Корпус сварно-литой, с торцевых сторон закрывающийся крышками, которые крепятся к корпусу шпильками.

Ротор ЦН - сборный, имеет кованный вал и кованное основание колес, на которых фрезеруются спирального типа лопатки. Лопатки закрываются покрышками, крепящимися заклепками или сваркой. Все колеса надежно с натягом насажены на валы и крепятся шпонками. Каждый ротор состоит из необходимого числа колес, шеек под опорные подшипники, упорного диска под упорный подшипник, диска реле осевого сдвига, специальных уступов и буртов под уплотнения и полумуфты для связи с ротором СТ.

Перед каждым колесом предусмотрен входной конфузор в виде улитки. Это конструкция ассиметричной формы, за счет которой газ направляется в колеса ЦН. На выходе из каждого колеса предусмотрены выходные диффузоры, где газ сжимается. Колесо ЦН с обеих сторон уплотняется.

Вся ходовая часть машины, включая ротор, неподвижные элементы проточной части, уплотнения и подшипники образуют единый узел-пакет, который может быть легко заменен в процессе эксплуатации.

 

 

Типы газоперекачивающих агрегатов

Газоперекачивающие агрегаты, применяемые для компремирования газа на компрессорных станциях, по типу привода подразделяются на три основных группы: газотурбинные установки (ГТУ), электроприводные агрегаты (ЭГПА) и газомотокомпрессорные установки (ГМК).

К первой группе относятся ГПА с приводом от центробежного нагнетателя от газовой турбины; ко второй - агрегаты с приводом от электродвигателя и к третьей группе - агрегаты с приводом от поршневых двигателей внутреннего сгорания, использующих в качестве топлива природный газ.

К агрегатам первой группы - основного вида привода компрессорных станций, относятся: стационарные, авиационные и судовые газотурбинные установки.

К авиаприводным газотурбинным установкам относятся ГПА, приводом которых служит газовая турбина авиационного типа, специально реконструированная для использования на компрессорных станциях.

В настоящее время на газопроводах эксплуатируются двигатели, выпускаемые Самарским моторостроительным объединением им. Фрунзе. Сборку агрегатов осуществляет Сумское машиностроительное научно-производственное объединение (г. Сумы, Украина).

К агрегатам, выпускаемым этими объединениями, относятся: ГПА-Ц-6,3 с двигателем НК-12СТ и нагнетателями Н-196-1,45 и НЦВ-6,3/56-1,45; ГПА-Ц-6,3/76 с двигателем НК-12СТ и нагнетателем НЦВ-6,3/76-1,45 и ГПА-Ц-6,3/125 с двигателем НК-12СТ и нагнетателем НЦВ-6,3/125-2,2. КПД этих агрегатов составляет 24%. На газопроводах в общей сложности эксплуатируется 440 таких ГПА.

Сумским машиностроительным научно-производственным объединением осуществляется сборка ГПА и на основе двигателей, выпускаемых Казанским моторостроительным объединением им.Фрунзе. К таким агрегатам относится ГПА-Ц-16 с двигателем НК-16СТ и нагнетателями Ц-16/56-1,44 и Ц-16/76-1,45. КПД агрегатов составляет 27%, мощность 16 МВт, степень сжатия по нагнетателю - 1,45. Общее число таких агрегатов составляет 536 шт.

К авиаприводным агрегатам на КС относятся и установки импортного производства, типа "Кобера-182" с двигателем Эйвон 1534-1016 производства фирмы "Ролл-Ройс" (Великобритания) и нагнетателем 2ВВ-30. КПД установки составляет 27,3%, мощность 12,9 МВт. Общее число таких агрегатов на КС ОАО "Газпром" - 42 шт.

Американская фирма "Солар" поставила на КС ГПА с двигателем "Центавр" и нагнетателями C-I68H, С-304 и С-168К. Мощность установок составляет 3,3-3,5 МВт, КПД - 26-28%. Общее число таких установок на газопроводах - 30.

К судовым газотурбинным агрегатам относятся ГПА, где в качестве привода используется модернизированная газовая турбина судового типа. К таким установкам относятся газовые турбины, выпускаемые Николаевским судостроительным заводом (Украина): ГПУ-10 "Волна" с двигателем ДР-59Л и нагнетателем 370-18-1, КПД установки - 26,5%.

В последнее время Николаевский судостроительный завод начал выпуск новых агрегатов на базе использования двигателя ДГ-90. КПД установки составляет 34%. На газопроводах эксплуатируется 8 таких агрегатов.

ГПА нового поколения призваны обеспечить высокий уровень основных эксплуатационных показателей, включая высокую экономичность (КПД на уровне 31-36 % в зависимости от мощности агрегата), высокую надежность: наработка на отказ не менее 3,5 тыс.ч, межремонтный ресурс на уровне 20-25 тыс. ч, улучшенные экологические показатели.

 

 

Принцип работы газотурбинных установок

Термин турбина происходит от латинского слова turbineus - вихреобразный, или turbo - волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу силовой турбины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциальной энергии - энергии сгоревшего топлива, подведенного к камере сгорания, в поток воздуха.

В основе современных представлений о превращении теплоты в работу в двигателях внутреннего сгорания лежат два важнейших положения термодинамики: во-первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который без затраты какой-либо энергии может производить механическую работу (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Поэтому непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды - рабочего тела и, по меньшей мере, двух тепловых источников: источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части ее в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, каждый двигатель внутреннего сгорания должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Так как процесс превращения теплоты в работу происходит непрерывно, то необходимо непрерывно, наряду с расширением, осуществлять процесс сжатия рабочего тела, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была естественно меньше работы расширения. Получаемая полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела.

Характерной особенностью осуществления круговых процессов в газотурбинных двигателях является то, что все основные процессы цикла - сжатие, подвод теплоты, расширение непрерывно осуществляются в различных элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, газовая турбина), расположенных последовательно по ходу рабочего тела.

В зависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по различным схемам. ГТУ простейшего цикла в механическом отношении могут быть выполнены как одновальные, так и двухвальные.

В одновальных установках все элементы газоперекачивающего агрегата (ГПА) - осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе все они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения, одновальная ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ осуществить оптимальную работу ГПА с приводом от одновальной ГТУ без перепуска и дросселирования газа или без существенного повышения температуры газа перед ТВД будет уже трудно. Все это привело к тому, что в настоящее время одновальные ГТУ для перекачки газа на газопроводах не используются.

При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала, температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины. Это значит, что полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению КПД силовой турбины.

Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного.

Благодаря этим особенностям, двухвальные установки с регенерацией и без регенерации теплоты отходящих газов и получили широкое распространение на газопроводах.

В настоящее время около тысячи агрегатов, в основном мощностью 6 и 10 МВт, эксплуатируются в ОАО "Газпром" с пластинчатыми регенераторами теплоты. Однако необходимо отметить, что эти пластинчатые регенераторы имеют ряд конструктивных и технологических недоработок, которые после нескольких десятков пусков и остановок ГТУ начинают сказываться на потере герметичности регенератора. В результате регенератор теряет свои показатели, падает степень регенерации, а следовательно и ухудшаются характеристики ГТУ. В настоящий момент на смену им приходят трубчатые и термопластинчатые регенераторы.

Регенераторы экономически эффективно устанавливать на компрессорных станциях, где загрузка по времени работы составляет не менее 80 %. Чисто конструктивно такие ГТУ имеют низкую степень сжатия за осевым компрессором и вследствие этого получается значительная разница температуры воздуха за осевым компрессором и температуры отработанных газов, что обеспечивает высокий коэффициент регенерации теплоты в ГТУ.

Тем не менее, регенерация теплоты отходящих газов с использованием герметичных регенераторов (в частности, трубчатых) остается одним из наиболее доступных и термодинамически эффективных способов повышения экономичности ГТУ в эксплуатационных условиях, когда одним из главных направлений по дальнейшему совершенствованию газотранспортной системы страны является разработка и использование ресурсоэнергосберегающих технологий при транспорте природных газов.

Повышение экономичности ГПА с газотурбинным приводом за счет рационального использования теплоты отходящих газов, можно достаточно хорошо осуществить путем использования установок так называемого парогазового цикла, сочетающих в себе цикл газовой турбины на уровне высоких температур рабочего тела и цикл паровой турбины, работающий на отходящих продуктах сгорания ГТУ. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где, расширяясь, вырабатывает полезную работу, идущую на привод нагнетателя или электрогенератора. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется, и полученная жидкость насосом вновь направляется в котел-утилизатор, замыкая цикл силовой установки.

Предпочтение в эксплуатации будет отдаваться главным образом двухвальным установкам простейших схем с регенерацией или без регенерации теплоты отходящих газов.

Система автоматики ГТК - 25

Система автоматики ГТК-25 выполняет следующие функции:

- автоматический пуск и останов агрегата;

- регулирование параметров агрегата;

- защита агрегата от аварийных ситуаций;

- измерение и регистрация параметров агрегата;

- технологическая сигнализация;

- предупредительная сигнализация о выходе параметров за допустимые пределы.

1. Система регулирования «Спидтроник».

Система предназначена для регулирования скорости ТНД и ТВД, температуры на выхлопе, ускорения ТНД и ТВД, а также для управления запуском и остановом агрегата.

Регулирующими органами турбины являются:

- регулирующий газовый клапан (подвод энергии к турбине);

- поворотный направляющий аппарат (ПНА), перераспределяющий энергию между ТНД и ТВД.

Клапан и ПНА управляются электрогидравлическими сервоприводами, перемещение которых пропорционально управляющим сигналом постоянного тока:

- напряжению VCL для регулирующего газового клапана;

- напряжению NCL для ПНА.

Напряжение VCL и NCL вырабатываются системой управления «Спидтроник». Значение VCL выбирается по параметру (запуск, скорость, температура или ускорение), требующему наименьшего количества топлива.

2. Управление запуском.

Контур включается при запуске агрегата и отключается при достижении рабочих оборотов ТВД. О работе контура сигнализирует синее табло «Пуск-топливо», «Пуск-сопло» на лицевой панели щита «Спидтроник». Контур формирует сигнал VCL при запуске турбины следующим образом:

- «Зажигание». По команде зажигание пламени в камерах сгорания контур устанавливает на шине VСL напряжение 7,5 единиц VCL (3,75 В);

- «Прогрев». После появления пламени в камеру сгорания контур устанавливает на шине VCL напряжение 6,8 единиц VCL (3,4В);

- «Ускорение». После 60 секунд прогрева контур дает разрешение на экспоненциальный рост напряжения на шине VCL.

В течении минуты напряжение возрастает до 9,3 единиц VCL (4,65В). При срабатывании реле рабочей скорости 14 HS (91% скорости ТВД), контур управления запуском выключается из работы, а формирование сигнала VCL осуществляется другими контурами регулирования, описанном ниже.

3. Контур регулировки оборотов ТНД.

Контур поддерживает обороты ТНД в соответствии с цифровой установкой (DSP), о чем сигнализирует зеленое табло «Скорость ТНД на лицевой панели щита Спидтроник».

4. Контур ограничения ускорения ТВД / ТНД.

Контур ограничивает ускорение ТВД или ТНД 1% рабочей скорости в секунду, о чем сигнализирует янтарное табло «Ускорение ТВД» или «Ускорение ТНД» на лицевой панели щита «Спидтроник».

5. Контур регулирования температуры на выхлопе.

От 12 термопар, установленных по окружности в выхлопной шахте, в модуле усреднения формируется сигнал среднего значения температуры на выхлопе (ТХ).

Контур ограничивает температуру перед ТВД, которая определяется по сигналу ТХ и давлению за осевым компрессором РСД.

Контур также ограничивает скорость роста температуры на выхлопе до 2,78°С в секунду. О работе контура сигнализирует красное табло «Температура - топлива» на лицевой панели щита «Спидтроник».

6. Контур регулирования ПНА.

При низкой нагрузке агрегата контур поддерживает обороты ТВД от 99% до 100%. О работе контура сигнализирует красное табло «Температура - сопло» на лицевой панели щита «Спидтроника».

Система вызывает аварийный останов агрегата при возникновении ситуации, угрожающих целостности оборудования и безопасности обслуживающего персонала.

Защиты делятся на три основные группы:

- действующие до зажигания;

- действующие при наличии пламени в камере сгорания;

- действующие постоянно при пуске и работе агрегата.

Агрегат остается в работе, если возникают следующие условия:

1). Защиты, действующие до зажигания:

- наличие напряжения на станции управления аварийного маслонасоса;

- наличие напряжения 0,4 кВт на ДВ;

- исправность электрогидравлических сервоприводов;

- разрешение пуска от цехового щита автоматики;

- исправность цепей зажигания (только при дистанционном пуске агрегата).

2). Защиты, действующие при наличии пламени в камерах сгорания:

- нормальное давления масла предельной защиты;

- нормальное давление в гидросистеме;

- температура в коллекторе смазки не превышает предельного значения;

- наличие пламени к камере сгорания;

- обороты ТВД ниже предельных;

- обороты ТНД ниже предельных.

3). Защиты, действующие постоянно при пуске и работе агрегата:

- уровень в аккумуляторе масла уплотнения выше минимального;

- не нажата кнопка аварийного останова станции;

- не нажата кнопка аварийного останова на щите НВ1 «Спидтроник»;

- исправен хотя бы один из двух каналов защиты по превышению температуры продуктов сгорания при рабочих оборотах ТВД;

- отсутствие пожара на агрегате;

- отсутствие пожара в укрытии агрегате;

- отсутствует опасная концентрация газа в укрытии и блок - боксах агрегата;

- соблюдена последовательность перестановки в рабочее положение кранов технологической обвязки нагнетателя;

- нормальная температура воды в утилизаторе;

- перепад на фильтрах BOI не превышает предельного значения;

- нормальный перепад масло - газ;

- нормальное давление смазочного масла на входе в нагнетатель;

- наличие напряжения +12 В в системе управления;

- нормальное давление смазочного масла;

- температура и давление газа на выходе нагнетателя не превышают предельных значений;

- отсутствует высокая температура масла на сливе подшипников нагнетателя;

- вибрация турбины не превышает предельного значения;

- вибрация и осевой сдвиг ротора нагнетателя не превышает предельных значений;

- дистанционный пуск продолжался менее 30 минут;

- температура продуктов сгорания не превышает предельного значения;

- не произошло снижения оборотов ТВД ниже допустимого значения на рабочем режиме.