Автoр: Э.А. Микаэлян (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина)
Газoтурбинная технология в магиcтральном транcпорте газа для привода центробежных компреccоров и нагнетателей, а также электричеcких генераторов завиcит от cамой технологии cбора и транcпорта газа и являетcя составляющей нефтегазового комплекса с наибольшим расходованием энергии. В связи с этим одной из основных задач совершенствования технологии магистрального транспорта газа является разработка способов, связанных со снижением расхода энергии газотурбинного привода.
Различают металлозатратную, энергозатратную технологию магистрального транспорта и технологию транспорта газа при модернизации центробежных нагнетателей (ЦН) с применением сменных проточных частей (СПЧ).
Металлозатратная технология транспорта газа сопровождается развитием многониточной системы магистральных газопроводов с неполнонапорными газоперекачивающими агрегатами (ГПА), характерным для бескомпрессорного способа сбора газа с промыслов.
Газотурбинная технология основывалась на создании ГПА с ЦН с предельным соотношением давлений в процессе сжатия 1,23 с приводом от ГТУ (до 86 %), а также от электродвигателей (до 14 %).
Дальнейшее развитие магистрального транспорта, начиная с 90-х гг. прошлого века, характеризовалось энергозатратной технологией с переходом на полнонапорные ГПА с предельным соотношением давлений в процессе сжатия в ЦН, в центробежных компрессорах (ЦК) 1,44 и выше и переходом на компрессорный способ сбора газа на промыслах и развитием дожимных компрессорных станций (ДКС).
Известны способы сбора, подготовки и транспорта газа с промыслов углеводородного сырья (УВС) в этот период эксплуатации месторождений УВС, когда ДКС устанавливались перед УКПНГК.
Начавшееся значительное падение давления на месторождениях УВС с конца 90-х гг. вызвало необходимость модернизации ЦК с применением СПЧ.
ГТУ, в основном в стационарном исполнении для газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГГПА), поставлялись до 90-х гг. прошлого века ОАО «Невский металлургический завод» (НЗЛ), турбомоторным заводом в Екатеринбурге и др. С 90-х гг. газовая отрасль как основной потребитель газотурбинных агрегатов стала получать ГПА с авиационным приводом. Кроме того, авиационные заводы стали поставлять газовой отрасли авиационные газотурбинные агрегаты для электростанций собственных нужд, что послужило началом создания отраслевой энергетики. Основными поставщиками авиационных газотурбинных агрегатов для газовой отрасли стали заводы ОАО «НПО «Искра», «Казанькомпрессор-маш», «Невский металлургический завод», «Рыбинские моторы» и др.
Стационарные и авиационные ГГПА различались по концепции изготовления: стационарные - в блочном исполнении, а авиационные - в модульном, соответственно, со своими конструктивными особенностями, положительными и отрицательными.
В отрасли ведутся работы по анализу режимов работы газотурбинных ГПА на КС в целях оптимизации загрузки ГПА. В соответствии с концепцией энергосбережения Газпром решает задачи по энергосбережению и оптимизации технологических режимов транспортировки газа, оценке аэродинамического совершенствования элементов ГГПА, оптимизации распределения нагрузки между агрегатами цехов многоцеховых КС и т. д.
По технологическому процессу стационарные и авиационные ГГПА практически не различаются. Анализ технологических процессов всех ГГПА, применяемых до настоящего времени, позволил сделать вывод, что подготовка и организация топочного процесса в них имеет существенный недостаток: значительные энергозатраты, поскольку в качестве вторичного агента в камере сгорания ГТУ используется неэффективный теплоноситель - сжатый воздух осевого компрессора ГТУ с низкой теплоемкостью. При правильной подготовке и организации топочного процесса в камерах сгорания ГТУ имеются большие резервы для снижения расхода энергии ГГПА на КС для энергосберегающей технологии в магистральном транспорте газа и во всех других отраслях, где применяются газотурбинные технологии.
Одна из задач поставленной проблемы решена в зарегистрированном патенте автора № 86245 RU от 25 мая 2009 г. для применения в местах, где нет дефицита воды.Известны ГТУ, в которых охлаждение горячих стенок жаровой трубы и снижение температуры продуктов сгорания до максимальной температуры цикла производится воздухом - вторичным воздухом [1-3], что обеспечивает надежную и продолжительную работу ГТУ. Он составляет 60-70 % от общего количества, подаваемого ОК в камеру сгорания ГТУ. А непосредственно для сгорания в камере сгорания ГТУ необходимы лишь оставшиеся 30-40 % (первичный воздух).
Недостатком известных ГТУ является то, что воздух, используемый в этом случае, имеет невысокую теплоемкость, в 4 раза с лишним ниже, чем теплоемкость воды. А дополнительное количество воздуха (вторичного воздуха), сжимаемого в ОК ГТУ, увеличивает потребляемую им мощность, вырабатываемую газовой турбиной ГТУ, на величину, пропорциональную количеству вторичного воздуха, участвующего в технологическом процессе ГТУ.
Указанные недостатки характерны для всех ГТУ отечественных и зарубежных марок [1-3].
Характеристика выбранного прототипа. Известны ГТУ с впрыском воды на входе в ОК или в камеру сгорания ГТУ, предназначенным в основном для форсирования мощности ГТУ и приводящим к кратковременному увеличению мощности ГТУ на 10-20%, например ГТУ, описанные в работе [4]. В них отмеченные недостатки не устраняются. Мощность компрессора и другие характеристики, а также конструктивные особенности ГТУ остаются неизменными.
Попытаемся устранить указанный недостаток и повысить мощность и экономичность ГТУ.
Суть предложения и его отличительные от прототипа признаки. Указанная цель достигается за счет системы впрыска подготовленной воды в камеру сгорания в количестве, позволяющем полностью заменить основное назначение вторичного воздуха в тепловом балансе ГТУ.
Распыленное количество воды, попадая в кольцевое пространство между кожухом (корпусом) и жаровой трубой камеры сгорания, мгновенно испаряется за счет высокой температуры стенок жаровой трубы под действием зоны горения внутри жаровой трубы; температура пламени доходит до 1800-2200 °С. Образовавшийся при испарении пар с температурой 250-350 °С исполняет роль вторичного воздуха.
Таким образом, за счет замены вторичного воздуха эквивалентным количеством впрыскиваемой подготовленной воды без нарушения теплового и энергетического баланса ГТУ в предлагаемой ГТУ ОК выбирается мощностью на 60-70 % меньше пропорционально снижению расхода воздуха ОК на величину вторичного воздуха.
Технико-экономическая эффективность. Согласно термодинамическому расчету ГТУ в среднем мощность, вырабатываемая газовой турбиной (ГТ)ГТУ(100 %)распределяется в основном следующим образом: на 60-70 % потребляется ОК и 30-40 % передается для привода полезной нагрузки. Для ГПА в качестве полезной нагрузки служит ЦН или ЦК для сжатия газа. Для энергетического газотурбинного агрегата в качестве полезной нагрузки служит электрогенератор для выработки электрического тока, для газотурбинного нефтеперекачивающего агрегата - центробежный насос. Рассмотрим численные значения изменения мощности предлагаемой ГТУ в сравнении с обычной, например типа ГТК-6-750(ГТН-6) мощностью 6 МВт.
Мощность, вырабатываемая ГТ, составит 17 МВт, при этом мощность, потребляемая самим ОК ГТУ, будет равна 11 МВт (65 % от мощности ГТ). В предлагаемой ГТУ с паровоздушным окислителем камеры сгорания мощность ОК составит всего 35 % х 11 МВт = = 3,85 МВт; мощность самой ГТУ будет определяться как разность между мощностью, вырабатываемой ГТ (17 МВт), и мощностью, потребляемой ОК (3,85 МВт), что составит 17-3,85 = 13,15 МВт.
Таким образом, мощность предлагаемой ГТУ для привода полезной нагрузки увеличится относительно исходной ГТУ типа ГТК-6-750 на 119 % при соответствующем увеличении механических, прочностных характеристик ГТУ.
Аналогично предыдущему примеру, если ГТУ с паровоздушным окислителем камеры сгорания будет создана на базе ГТК-10-4, ГПУ-10 или ГТК-10М, каждая мощностью по 10 МВт, то мощность предлагаемой ГТУ возрастет также на 119 % и составит 21,9 МВт, т. е. увеличится в два с лишним раза.
- 1. Шварц В. А. Конструкция газотурбинных установок. -М.: Машиностроение, 1970.-436 с.
- 2. Могильницкий И.П., СтешенкоВ.Н. Газотурбинные установки в нефтяной и газовой промышленности. - М.: Недра, 1971.-160с.
- З.Поршаков Б.П. Газотурбинные установки на газопроводах/Б. П. Поршаков, А.А. Апостолов, А.Н. Козачен-ко, В.И. Никишин. - М.: ФГУП изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. - 216 с. 4. ЧерриД., Арсуфи М. Газотурбинная установка с впрыском пара, объединенная с установкой для приготовления обессоленной воды термическим методом // Энергетические машины. -1986. - № 4. -С.116-126.
Статья опубликована в журнале "Газовая промышленность" №10 за 2010г.
