УНИВЕРСАЛЬНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F02C6/00 F04D27/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газотурбинным установкам, и может быть использовано в газовой промышленности при создании теплоэлектростанций и в аналогичных случаях.

Известна газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на одном валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом - с выходом из компрессора, камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, соединенной с форсунками камеры сгорания (RU 2107178, F 02 C 7/22, 1998).

Недостатками известной установки является ограниченная возможность применения различных потребителей мощности и ее высокая стоимость.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является газотурбинная установка, состоящая из газогенератора, содержащего компрессор с направляющими аппаратами, камеру сгорания топлива и газовую турбину; преобразователя энергии газа и потребителя мощности (RU 2123608, F 02 C 6/18, 1998).

Данная установка более надежна и может быть применена в климатических условиях с большим сезонным колебанием температур, например, в условиях Крайнего Севера.

Однако известная установка недостаточно мобильна и технологична в эксплуатации и допускает определенные потери тепловой энергии вследствие недостаточной длительности жизненного цикла установки.

Техническим результатом изобретения является универсальность газотурбинной установки, повышение ее мобильности и технологичности, упрощение эксплуатации, ремонта, а также снижение стоимости жизненного цикла установки.

Указанный технический результат достигается тем, что газотурбинная установка, состоящая из газогенератора, содержащего компрессор с направляющими аппаратами, камеру сгорания топлива и газовую турбину; преобразователя энергии газа и потребителя мощности, согласно изобретению в качестве преобразователя энергии газа использованы силовые турбины различных типов, газогенератор выполнен с возможностью его стыковки с различными типами силовых турбин, направляющие аппараты компрессора выполнены с лопатками, обеспечивающими регулирование проточной части компрессора в соотношении
K_д = N_пов/N_общ ≥ 0,7,
где K_д - коэффициент динамичности направляющих аппаратов компрессора, б/р;
N_пов - количество поворотных ступеней направляющих аппаратов компрессора, шт.;
N_общ - общее количество направляющих аппаратов компрессора, шт.;
установка снабжена электронной цифровой системой регулирования, навесным маслоагрегатом, соединенным через привод с валом газогенератора, и устройством предварительного сжатия воздуха, расположенным на входе в газогенератор.

Технический результат в оптимальной степени достигается при выполнении условий:
- электронная цифровая система регулирования имеет пакет прикладных программ, обеспечивающих адекватность характеру и режиму действия различных потребителей мощности;
- стыковка газогенератора с различными типами силовых турбин выполнена в виде сменного переходника;
- переходник выполнен с изменяемыми размерами фланца стыковки с силовой турбиной;
- устройство предварительного сжатия воздуха выполнено в виде одной или нескольких ступеней компрессора и соединено приводом с валом газогенератора;
- использованы различные потребители мощности, отличающиеся количеством оборота вала, величиной и характером нагрузки, законами регулирования (турбогенераторы, газовые компрессоры, нефтеперекачивающие насосы и пр.).

Газогенератор служит для выработки рабочего тела - газа, обладающего запасом энергии в виде избыточного давления и повышенной температуры. Преобразователем энергии газа, выходящего из газогенератора, в полезную работу могут служить силовые турбины различных типоразмеров. Сочетание газогенератора и силовой турбины образует газотурбинный привод для различных потребителей мощности - турбогенераторов, газовых компрессоров, нефтеперекачивающих насосов и т.п.

Как правило, потребители мощности отличаются между собой оборотами вала, величиной и характером нагрузки, законами регулирования и др., что требует для каждого из них своего собственного газотурбинного привода.

Газогенератор является наиболее сложной и дорогой частью газотурбинного привода.

Предлагаемая установка обеспечивает возможность использования одного газогенератора с различными типами потребителей мощности, приводимыми силовыми турбинами разного конструктивного исполнения и разных производителей.

Так, например, электрические генераторы требуют привода с оборотами n_эг = 3000 об/мин (50 Гц), а газовые компрессоры - привода с оборотами n_гк = 5200 - 5700 об/мин.

Кроме оборотов, потребители мощности отличаются величиной установленной номинальной мощности, диапазон изменения которой узко ограничен газодинамическими характеристиками системы газогенератор - силовая турбина.

Вышесказанное препятствует унификации существующих газогенераторов для их использования с различными типами силовых турбин.

Изобретение предлагает модульное исполнение конструкции, что обеспечивает замену газогенератора по его техническому состоянию в условиях эксплуатации, в том числе и в условиях Крайнего Севера, независимо от силовой турбины. Изобретение позволяет осуществлять стыковку газогенератора с различными типами силовых турбин, отличающихся конструкцией, оборотами, диапазоном установочной мощности - до 25% колебаний от номинальной мощности газогенератора.

Универсальная газотурбинная установка (см.чертеж) состоит из компрессора 1 с регулируемой проточной частью, турбины газогенератора 2 с регулируемым проходным сечением, электронной цифровой системы 3, дозатора топлива 4, сменного переходника 5, навесного маслоагрегата 6, силовой турбины 7, силового вала 8, устройства (модуля) 9 предварительного сжатия, и лопаток 10 направляющих аппаратов компрессора газогенератора 2.

Проточная часть компрессора 1 выполнена регулируемой для обеспечения соответствия характеристик газогенератора с различными силовыми турбинами 7 по параметрам подобия и получения приемлемого коэффициента полезного действия компрессора, турбины газогенератора 2 и силовой турбины 7, а также общего термического коэффициента полезного действия установки.

Регулирование проточной части компрессора 1 газогенератора обеспечивают поворотом лопаток 10 направляющих аппаратов компрессора по закону α_на= f(n_пр) в соотношении
K_д = N_пов/N_общ ≥ 0,7,
где α_на - угол установки поворотных лопаток направляющих аппаратов компрессора (НАК);
n_пр - приведенные обороты компрессора;
K_д - коэффициент динамичности направляющих аппаратов компрессора;
N_пов - количество поворотных ступеней направляющих аппаратов компрессора;
N_общ - общее количество направляющих аппаратов компрессора (НАК).

Регулирование проточной части турбины обеспечивается возможностью разворота лопаток соплового аппарата турбины газогенератора 2 с целью изменения ее пропускной способности для регулирования положения рабочей линии на характеристике компрессора 1 газогенератора в требуемом диапазоне.

Универсальная электронная цифровая система 3 регулирования с пакетом универсальных прикладных программ позволяет изменять программу регулирования газотурбинного привода в соответствии с характером и режимами присоединенной нагрузки (генератор, компрессор, насос и др.).

Легко заменяемый переходник 5 между газогенератором 2 и силовой турбиной 7 обеспечивает стыковку газогенератора с силовыми турбинами, имеющими различные диаметры проточной части.

Маслосистема газогенератора на базе навесного маслоагрегата 6, получающего привод непосредственно от вала газогенератора, обеспечивает необходимую смазку силовых турбин разных типов, пристыковываемых к базовому газогенератору.

Сменный модуль 9 предварительного сжатия, устанавливаемый при необходимости на входе в газогенератор, позволяет изменять основные характеристики газогенератора: расход воздуха, степень сжатия, полезную номинальную мощность, общий коэффициент полезного действия газотурбинного привода. При этом обеспечивается условие того, что объемный расход воздуха за модулем предварительного сжатия равен объемному расходу воздуха на входе в газогенератор.

Поскольку силовые турбины, являющиеся приводом для различных потребителей мощности, имеют значительно больший ресурс, чем газогенератор, в течение жизненного цикла газотурбинного привода производят неоднократную замену газогенераторов в связи с возникающей необходимостью их ремонта. Это требует создания значительного запаса резервных газогенераторов различных типоразмеров.

Пример реализации изобретения.

В настоящее время на дожимных компрессорных станциях применяют в качестве привода нагнетателей газотурбинные двигатели мощностью 16 МВт.

Газотурбинный привод состоит из двух узлов:
- узел газогенератора, ресурс - 20000 часов,
- узел силовой турбины, ресурс - 60000 часов.

Стоимость привода составляет примерно 1,7 млн. долл. США. Практика эксплуатации приводов на дожимных станциях показывает, что, как правило, узлом, ограничивающим ресурс установки, является газогенератор. Узлы силовых турбин обычно способны работать в пределах ресурса, превышающего в 2-3 раза ресурс газогенератора.

При отстранении от эксплуатации по причине досрочного съема или по выработке ресурса газогенератора, газотурбинный привод отправляют в ремонт. Обычно такие ремонты требуют значительных дополнительных капитальных вложений на транспортировку этих приводов и выплату пограничных пошлин.

Вместе с тем, мировая практика эксплуатации газотурбинных приводов на газоперекачивающих станциях показывает, что в условиях эксплуатации возможна замена вышедших из строя модулей.

Для иллюстрации возможности замены одного газогенератора на другой приведена таблица с основными параметрами заменяемых узлов (модулей) двух реальных газогенераторов.

Как видно из таблицы, благодаря изобретению замена выходящих из строя зарубежных газогенераторов позволяет использовать существующее российское оборудование, что удешевляет практику эксплуатации газотурбинных установок.

Применение универсальной газотурбинной установки позволит обеспечить работу различных потребителей мощности за счет подстройки характеристик газогенератора к требованиям потребителей, а также при необходимости подсоединять газогенератор универсального газотурбинного привода к существующим силовым турбинам различных производителей, отличающихся широким диапазоном оборотов, мощностей и требуемыми законами регулирования, что приводит к сокращению затрат на приобретение, эксплуатацию и ремонт газотурбинных приводов и установок в целом.

Универсальная газотурбинная установка состоит из газогенератора, содержащего компрессор с направляющими аппаратами, камеру сгорания топлива и газовую турбину преобразователя энергии газа и потребителя мощности. В качестве преобразователя энергии газа использованы силовые турбины различных типов. Газогенератор выполнен с возможностью его стыковки с различными типами силовых турбин. Направляющие аппараты компрессора выполнены с лопатками, обеспечивающими регулирование проточной части компрессора. Установка снабжена электронной цифровой системой регулирования, навесным маслоагрегатом, соединенным через привод с валом генератора, и устройством предварительного сжатия воздуха, расположенным на входе в газогенератор. Техническим результатом изобретения является универсальность газотурбинной установки, повышение ее мобильности и технологичности, упрощение эксплуатации, ремонта, а также снижение стоимости жизненного цикла установки. 5 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Универсальная газотурбинная установка, состоящая из газогенератора, содержащего компрессор с направляющими аппаратами, камеру сгорания топлива и газовую турбину, преобразователя энергии газа и потребителя мощности, отличающаяся тем, что в качестве преобразователя энергии газа использованы силовые турбины различных типов, газогенератор выполнен с возможностью его стыковки с различными типами силовых турбин, направляющие аппараты компрессора выполнены с лопатками, обеспечивающими регулирование проточной части компрессора в соотношении
K_д = N_пов/N_общ ≥ 0,7,
где K_д - коэффициент динамичности направляющих аппаратов компрессора, б/р;
N_пов - количество поворотных ступеней направляющих аппаратов компрессора, шт;
N_общ - общее количество направляющих аппаратов компрессора, шт,
установка снабжена электронной цифровой системой регулирования, навесным маслоагрегатом, соединенным через привод с валом газогенератора, и устройством предварительного сжатия воздуха, расположенным на входе в газогенератор. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электронная цифровая система регулирования имеет пакет прикладных программ, обеспечивающих адекватность характеру и режиму действия различных потребителей мощности. 3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что стыковка газогенератора с различными типами силовых турбин выполнена в виде сменного переходника. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что переходник выполнен с изменяемыми размерами фланца стыковки с силовой турбиной. 5. Установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что устройство предварительного сжатия воздуха выполнено в виде одной или нескольких ступеней компрессора и соединено приводом с валом газогенератора. 6. Установка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что использованы различные потребители мощности, отличающиеся количеством оборота вала, величиной и характером нагрузки, законами регулирования: турбогенераторы, газовые компрессоры, нефтеперекачивающие насосы.