СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПРЕССОРНОГО ЦЕХА С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЦИКЛА И КОМПРЕССОРНЫЙ ЦЕХ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЦИКЛА Российский патент 2005 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области газоперекачивающих станций, и может быть использовано в цехах компрессорных станций с газотурбинным приводом, осуществляющих транспортировку природного газа через магистральные газопроводы.

Известен способ эксплуатации компрессорного цеха в составе компрессорной станции магистрального газопровода, при котором используют компрессоры, входящие в состав газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом и электроприводом, и регулируют производительность станции путем изменения частоты вращения компрессоров с газотурбинным приводом, а также путем включения или отключения одного из компрессоров с электроприводом, при работе остальных компрессоров с электроприводом при номинальной частоте вращения на режиме максимального КПД, причем дальнейшее изменение производительности станции осуществляют изменением частоты вращения компрессоров с газотурбинным приводом [1].

Недостаток известного способа заключается в сложности реализации алгоритма согласования работы ГПА с различными типами привода, особенно при необходимости одновременной остановки или пуска по меньшей мере пары таких ГПА, когда необходимо учитывать большую инерционность тепловых процессов в газотурбинных приводах с регенерацией теплоты отходящих газов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу эксплуатации компрессорного цеха с газотурбинным приводом регенеративного цикла является способ, при котором при пуске ГПА с приводом от газотурбинной установки (ГТУ) атмосферный воздух сжимается в осевом компрессоре, приводимом во вращение от турбины высокого давления (ТВД) и поступает в воздушный тракт воздухонагревателя (регенератора), где за счет использования теплоты отходящих газов из турбины низкого давления (ТНД) его температура повышается на 200-250° С( до ~400° С). Из регенератора сжатый цикловой воздух поступает в камеру сгорания ГТУ, куда одновременно извне подводится топливный газ. После расширения в ТНД, служащей для привода центробежного нагнетателя, продукты сгорания поступают в газовый тракт регенератора, проходя через него, частично охлаждаются, отдавая часть теплоты цикловому воздуху, идущему в камеру сгорания, и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. В процессе эксплуатации периодически осуществляют остановку и пуск одних ГПА (вывод ГПА из работы на стационарных режимах в режимы плановой или вынужденной (аварийной) остановки и последующий их ввод в работу), при стационарной работе остальных ГПА в режимах заданной нагрузки. При пуске ГПА в соответствии с регламентом осуществляют подключение входного воздушного тракта регенератора к выходному тракту осевого компрессора и входного газового тракта регенератора к выхлопному тракту ТНД, а при остановке указанные тракты регенератора и ГТУ соответственно отключают друг от друга [2, с.22, 178-179].

Недостатком известного способа является возникновение при пусках и остановках ГПА больших термоциклических нагрузок в регенераторах, приводящих к снижению длительной прочности металлоконструкций и к их ускоренному разрушению. Как правило, регенераторы размещены на открытом воздухе вне отапливаемых цеховых помещений. Например, в условиях Севера температура металла регенератора в нерабочем состоянии может достигать минус 50° С и ниже. При пуске ГПА горячие отходящие газы поступают на вход в такой регенератор с температурой на уровне 450-500° С, что приводит к термоударам. Даже в стационарном режиме, в пластинчатых регенераторах агрегата ГТК-10 разница температур металла в местах приварки тонких теплообменных листов к толстостенному корпусу может составлять 30-50° С [2, с.179-180]. Аналогичные перепады температуры также наблюдаются в сварных узлах крепления трубных пучков в трубчатых и термопластинчатых регенераторах. Резкие термические воздействия потока отходящих газов, особенно при пусках-остановках ГПА в зимнее время, приводят к росту термических напряжений, образованию и развитию термоусталостных трещин и свищей в сварных соединениях регенераторов, потерям герметичности регенераторов, перетечкам циклового воздуха в тракт отходящих газов и к существенному снижению мощности и экономичности ГТУ. В результате снижается эксплуатационная надежность ГПА и цеха в целом.

Изобретением решается задача повышения эффективности и надежности компрессорного цеха на переходных режимах эксплуатации.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого способа, заключается в снижении опасности разгерметизации регенераторов при пусках-остановках ГПА с газотурбинным приводом регенеративного цикла.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе эксплуатации компрессорного цеха с газотурбинным приводом регенеративного цикла, при котором периодически осуществляют пуск и остановку одних ГПА на переходных режимах эксплуатации цеха при работе остальных ГПА на стационарных режимах, причем при пуске и остановке осуществляют соответственно подключение и отключение газовых и воздушных трактов регенераторов с трактами газотурбинной установки (ГТУ), согласно изобретению из входного газового тракта регенераторов ГПА, работающих на стационарных режимах, осуществляют отбор части расхода отходящих газов и их подачу во входной газовый тракт регенераторов ГПА, находящихся на переходных режимах в состоянии пуска или остановки, и ведут соответственно разогрев или расхолаживание регенераторов до достижения в их входном газовом тракте значения температуры отходящих газов соответствующего значению температуры циклового воздуха во входном воздушном тракте на стационарном режиме, после чего осуществляют вывод ГПА на стационарный режим или полную остановку по штатному регламенту, причем значение скоростей разогрева и расхолаживания регенераторов (град/мин) задают из условия Тог_пер<(Тог_вх-ТВ_вых)μ · η _в, где Тог_пер - температура подаваемых на переходных режимах отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тог_вх - температура отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов и Тв_вых - температура циклового воздуха в выходном тракте регенераторов на стационарных режимах, μ - степень регенерации, η _в - внутренний КПД ГТУ с регенерацией.

Расчетный отбор расхода отходящих газов из входного газового тракта регенераторов ГПА, работающих на стационарных режимах, и их подача во входной газовый тракт регенераторов ГПА, находящихся на переходных режимах в состоянии пуска-остановки, позволяет без снижения эффективности стационарно работающих ГПА осуществлять предварительный разогрев и постепенное расхолаживание металлоконструкции каждого такого регенератора. В качестве диагностических критериев оценки процессов разогрева и расхолаживания используют показания термопар, установленных на входных и выходных трактах регенераторов. Подачу отходящих газов в регенераторы увеличивают или уменьшают так, чтобы по окончании процесса разогрева или расхолаживания в их входном газовом тракте значение температуры отходящих газов соответствовало значению температуры циклового воздуха во входном воздушном тракте на стационарном режиме. Это обеспечивается путем поддержания скорости разогрева и расхолаживания (град/мин) регенераторов исходя из условия Тог_пер<(Тог_вх-Тв_вых)μ · η _в, где Тог_пер - температура подаваемых на переходных режимах отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тог_вх - температура отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов и Тв_вых - температура циклового воздуха в выходном тракте регенераторов на стационарных режимах, μ - степень регенерации, η _в - внутренний КПД ГТУ с регенерацией.

Расчетные значения указанных параметров выбирают на основании паспортных данных и рассчитывают по результатам параметрической диагностики для каждого типа регенератора (пластинчатый, трубчатый и др.) и ГТУ. Таким образом, при пусках-остановках ГПА снижается опасность возникновения недопустимых термических напряжений в металлоконструкциях регенераторов, образование термоусталостных трещин и свищей, приводящих к потерям циклового воздуха, и, как следствие, к снижению надежности и технико-экономических показателей отдельных ГПА и цеха в целом.

Наиболее близким к заявляемому компрессорному цеху с газотурбинным приводом регенеративного цикла по технической сущности является компрессорный цех, включающий группу ГПА, каждый из которых имеет привод от ГТУ открытого цикла, включающей осевой компрессор, камеру сгорания, турбину высокого и турбину низкого давления и снабженный регенераторами, имеющими входной и выходной тракты для пропускания через регенераторы расходов отходящих газов и циклового воздуха по противоточной схеме [3].

Недостаток известного компрессорного цеха заключается в том, что на переходных режимах работы цеха, когда осуществляются пуск или остановка по меньшей мере одного из ГПА, при работе остальных ГПА на стационарных режимах регенераторы этого ГПА испытывают “термокачки”, вызывающие рост термонапряжений, в первую очередь, в сварных узлах креплений разнотолщинных теплообменных и корпусных элементов регенераторов друг с другом.

При этом значения термонапряжений могут превосходить допустимые и приводить к образованию трещин и свищей, через которые при пуске и работе ГТУ на стационарных режимах сжатый (цикловой) воздух будет поступать в тракт отходящих газов. Как показывает опыт эксплуатации, даже при незначительных неплотностях регенераторы теряют значительное количество циклового воздуха, в результате чего мощность и КПД ГТУ снижаются. Например, при величине условного диаметра утечек воздуха ~ 100 мм из пластинчатого регенератора противоточного типа с общей поверхностью теплообмена 3240 м² приведенная мощность ГПА типа ГТК-10-4 снижается с 10 до 7,62 МВт, что ведет к снижению эксплуатационной надежности и технико-экономических показателей всего компрессорного цеха [4, с.270 ]. Высокая частота пусков-остановок ГПА типа ГТК-10, снабженных двумя пластинчатыми регенераторами, приводит к необходимости его замены через 20-40 тыс. часов [2, с.179].

Анализ показывает, что в области газоперекачивающих компрессорных станций, оборудованных ГПА с газотурбинным приводом регенеративного цикла, актуальной является задача обеспечения надежной эксплуатации компрессорных цехов, особенно в периоды пусков и остановок части ГПА, при работе остальных ГПА на стационарных режимах.

Для решения поставленной задачи в известном компрессорном цехе с газотурбинным приводом регенеративного цикла, включающем ГПА с газотурбинным приводом, снабженным регенераторами, имеющими входной и выходной тракты для пропускания через регенераторы расходов отходящих газов и циклового воздуха, согласно изобретению в цехе выполнен общецеховой коллектор, входной газовый тракт каждого регенератора снабжен дополнительным трактом, соединенным с указанным коллектором и снабженным устройством для регулирования расхода отходящих газов при их впуске и выпуске из коллектора, который снабжен по меньшей мере одним выходным трактом, снабженным устройством для регулирования расхода отходящих газов при их выпуске из коллектора в атмосферу.

Выполнение в цехе общецехового коллектора и соединение с ним дополнительных трактов, каждым из которых снабжен входной газовый тракт каждого из регенераторов, позволяет применить общецеховую теплогидравлическую систему подогрева - охлаждения чрезвычайно металлоемких и громоздких регенераторов и путем установки в ней устройств для регулирования расходов отходящих газов (кранов, задвижек, вентилей) обеспечить надежное регулирование процессов подогрева-охлаждения каждого из регенераторов с учетом их конструктивных особенностей. При этом практически не нарушается функционирование ГТУ, работающих на стационарных режимах, так как при разогреве регенераторов они выступают в роли доноров, отдающих часть расхода горячих отходящих газов в общецеховой коллектор, а при пусках-остановках они выступают в роли акцепторов, получающих эту же часть расхода из этого коллектора. Сохранение такого баланса обеспечивает стабильность термодинамического цикла работы цеха с газотурбинным приводом регенеративного цикла.

Схема компрессорного цеха приведена на чертеже. Компрессорный цех содержит группу ГПА 1, каждый из которых имеет газотурбинный привод, основными элементами которого являются осевой компрессор 2, механически связанный с турбиной высокого давления (ТВД) 3, турбина низкого давления (ТНД) 4, механически связанная с центробежным нагнетателем 5, камера сгорания 6 и регенераторы 7, имеющие входной 8 и выходной 9 газовый тракты, а также входной 10 и выходной 11 воздушный тракты. Входной газовый тракт 8 каждого регенератора снабжен дополнительным трактом 12, соединенным с общецеховым коллектором 13, имеющем на концевых участках выходные тракты 14. Коллектор и указанные тракты выполнены теплоизолированными и снабжены запорно-регулирующей арматурой (кранами, задвижками, вентилями) 15, 16, предназначенными для регулирования расхода газов. Дымовые трубы обозначены позицией 17, направления течения газовых и воздушных потоков обозначены стрелками.

Пример

Рассматривается способ эксплуатации компрессорного цеха реализуемый в приведенной схеме, например, для случая, когда необходимо запустить в работу один из ГПА (обозначен на чертеже пунктирной линией), при работе остальных ГПА на стационарном режиме. В режиме пуска ГПА через теплоизолированные тракты 12 от каждого из работающих ГПА с помощью задвижек 15 часть расхода горячих отходящих газов направляют в общецеховой теплоизолированный коллектор 13, концевые тракты 14 которого предварительно перекрывают с помощью задвижек 16. Из коллектора также с помощью соответствующих задвижек 15 осуществляют отбор горячих отходящих газов через тракты 12 в каждый входной газовый тракт 8 каждого из двух “холодных” регенераторов и осуществляют их постепенный разогрев с выпуском отходящих газов через тракты 9 в дымовые трубы 17. С помощью штатных термопар, установленных на входном 8 и выходном 9 газовом трактах разогреваемых регенераторов, непрерывно измеряют температуру подаваемых отходящих газов в тракте 8, регулируя и увеличивая их расход с помощью задвижек 15, поддерживают рост минутных значений температуры в тракте 8 на уровне, соответствующем значению, найденному из выражения Тог_пер≤_{(Тогвх-Тввых)μ · η в, где Тогпер - температура подаваемых на переходных режимах отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тогвх - температура отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тввых - температура циклового воздуха в выходном тракте регенераторов на стационарных режимах, μ - степень регенерации, η в - внутренний КПД ГТУ с регенерацией.}

Например, для ГПА типа ГТК-10-4 с пластинчатыми регенераторами значения указанных параметров могут составлять Δ Т=Тог_вх-Тв_вых=93° С, μ =0,67, η _в=0,26, а с трубчатыми регенераторами типа РВП-3600-02 могут составлять соответственно Δ Т=61° С, μ =0,81, η _в=0,28. Следовательно, вычисленная скорость разогрева регенераторов (град/мин) в первом случае не должна превышать ~18,3 град/мин, а во втором ~13,8 град/мин. При достижении в выходном газовом тракте 9 регенераторов температуры подаваемых отходящих газов ~200° С, что соответствует значению во входном воздушном тракте 10 температуры циклового воздуха на стационарном режиме, подачу из общецехового коллектора 13 прекращают путем перекрытия задвижек 15 и осуществляют пуск ГПА по штатной схеме, т.е. с подачей через тракт 10 в регенераторы 7 циклового воздуха от собственного осевого компрессора 2 с температурой ~200° С и подачей от собственной турбины низкого давления (ТНД) 4 отходящих газов через тракты 8 с температурой ~500° С. Таким образом, расчетное время разогрева регенераторов составляет в первом случае ~11 мин, а во втором ~14,5 мин, что позволяет затем в 3-5 раз быстрее осуществлять выход ГПА на стационарный режим по штатной схеме.

При остановке ГПА, когда одновременно прекращается прокачка циклового воздуха и отходящих газов через регенераторы от собственной ГТУ и их необходимо постепенно расхолаживать, в тракты 12 расхолаживаемых регенераторов из коллектора 13 с помощью задвижек 15 подают от работающих ГПА часть расхода отходящих газов через тракты 8, которые затем проходят через регенераторы 7, выходной газовый тракт 9 и дымовые трубы 17.

При этом скорость расхолаживания регенераторов, выраженную в град/мин, также как и при их разогреве перед пуском, выбирают из вышеприведенного выражения Тог_пер≤_{(Тогвх-Тввых)μ · η в. Постепенно снижая расход через тракты 8, поддерживают заданное значение минутной скорости расхолаживания и при снижении в трактах 8 температуры отходящих газов до уровня, соответствующего уровню температуры циклового воздуха во входном воздушном тракте 10 на стационарном режиме, подачу отходящих газов из общецехового коллектора прекращают. Далее охлаждение регенераторов происходит самопроизвольно за счет теплопередачи в окружающее пространство. Для вариантов вышеназванного ГПА типа ГТК-10-4 (с пластинчатыми и с трубчатыми регенераторами) при снижении в тракте 8 температуры подаваемых отходящих газов до ~200° С, т.е. до значения, соответствующего температуре циклового воздуха в тракте 10 на стационарном режиме, расчетное время расхолаживания в режиме прокачки отходящих газов от стационарно работающих ГПА также составляет ~11 мин и 14,5 мин.}

Анализ температурного поля газовоздушного потока камеры сгорания и коэффициентов его неравномерности в зависимости от величины утечек воздуха из наиболее дефектноопасных по термонапряжениям пластинчатых регенераторов в байпасы показал, что после проведения ряда циклов пуск-остановка ГПА типа ГТК-10-4 по предложенному способу, в камере сгорания начальные неравномерности температурного поля за смесителем и начальные значения коэффициентов окружной и радиальной неравномерностей температуры практически не изменяются. Практически постоянными остаются начальные значения противодавления газовоздушного потока за турбиной низкого давления, средней температуры газовоздушного потока за смесителем камеры сгорания, температуры газа перед турбиной высокого давления и приведенной мощности турбоагрегата.

Выборочная дефектоскопия сварных соединений теплообменных пакетов и мест их крепления к корпусу регенераторов на входной по ходу потока отходящих газов поверхности пакетов, где обычно возникает до 70% трещин и свищей, показала отсутствие в них новых дефектов, что также свидетельствует о сохранении герметичности регенераторов на начальном уровне.

После завершения процесса нагрева или расхолаживания оставшиеся в коллекторе 13 отходящие газы через тракты 14 с помощью задвижек 16 выпускают в атмосферу, и цех продолжает работать в стационарном режиме.

Приведенные значения времени нагрева и расхолаживания для регенераторов пластинчатого и трубчатого типов отражают тот факт, что с повышением степени регенерации габариты и масса регенератора возрастают. Поэтому время нагрева и расхолаживания менее эффективных и менее металлоемких пластинчатых регенераторов оказывается меньшим, чем для более эффективных и более металлоемких трубчатых регенераторов.

Выполнение общецехового коллектора 13 диаметром Ду 800, трактов 12 диаметром Ду 500 и концевых трактов 14 диаметром Ду 50 позволяет осуществлять надежную эксплуатацию цеха на переходных режимах при пуске и после остановки отдельных ГПА без ухудшения газодинамических и мощностных характеристик остальных ГПА, работающих на стационарных режимах.

Источники информации:

1. Патент РФ №1539396, F 04 D 25/02, 15.01.1987 г.

2. Щуровский В.А., Зайцев Ю.А. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. - М.: Недра, 1994.

3. Патент РФ №2170369, F 04 D 25/02, 10.07.2001 г.

4. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. - М.: Нефть и газ, 1999.

Изобретение может быть использовано в цехах компрессорных станций, служащих для перекачивания природного газа через магистральные газопроводы. При пусках или остановках газоперекачивающих агрегатов (ГПА) осуществляют соответственно разогрев или расхолаживание их регенераторов за счет подачи части расхода отходящих газов от работающих ГПА. Процесс ведут до достижения во входном газовом тракте регенераторов температуры, соответствующей температуре циклового воздуха во входном воздушном тракте регенераторов на стационарном режиме. Скорость процесса (град/мин) задают из условия Тог_пер≤_{(Тогвх-Тввых)μ · η в, где Тогпер - температура подаваемых на переходных режимах отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тогвх - температура отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов, Тввых - температура циклового воздуха в выходном тракте регенераторов на стационарных режимах, μ - степень регенерации, η в - внутренний КПД ГТУ с регенерацией. Технический результат: снижение опасности разгерметизации регенераторов, повышение эффективности и надежности компрессорного цеха при эксплуатации на переходных режимах. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.}

1 Способ эксплуатации компрессорного цеха с газотурбинным приводом регенеративного цикла, при котором осуществляют пуск и остановку одних газоперекачивающих агрегатов на переходных режимах эксплуатации цеха при работе остальных газоперекачивающих агрегатов на стационарных режимах, причем при пуске и остановке осуществляют соответственно подключение и отключение газовых и воздушных трактов регенераторов с трактами газотурбинной установки, отличающийся тем, что из входного газового тракта регенераторов газоперекачивающих агрегатов, работающих на стационарных режимах, осуществляют отбор части расхода отходящих газов и их подачу во входной газовый тракт регенераторов газоперекачивающих агрегатов, находящихся на переходных режимах в состоянии пуска или остановки, и ведут соответственно разогрев или расхолаживание регенераторов до достижения в их входном газовом тракте значения температуры отходящих газов, соответствующего значению температуры циклового воздуха во входном воздушном тракте на стационарном режиме, после чего осуществляют вывод газоперекачивающих агрегатов на стационарный режим или их полную остановку по штатному регламенту, причем значение скоростей разогрева и расхолаживания регенераторов (град/мин) задают из условия

Тог_пер≤_{(Тогвх-Тввых)μ · η в,}

где Тог_пер - температура подаваемых на переходных режимах отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов;

Тог_вх - температура отходящих газов во входном газовом тракте регенераторов;

Тв_вых - температура циклового воздуха в выходном тракте регенераторов на стационарных режимах;

μ - степень регенерации;

η _в - внутренний КПД ГТУ с регенерацией.

2 Компрессорный цех с газотурбинным приводом регенеративного цикла, включающий газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом, снабженным регенераторами, имеющими входной и выходной тракты для пропускания через регенераторы расходов отходящих газов и циклового воздуха, отличающийся тем, что в цехе выполнен общецеховой коллектор, входной газовый тракт каждого регенератора снабжен дополнительным трактом, соединенным с указанным коллектором и снабженным устройством для регулирования расхода отходящих газов при их впуске и выпуске из коллектора, который снабжен, по меньшей мере, одним выходным трактом, снабженным устройством для регулирования расхода отходящих газов при их выпуске из коллектора в атмосферу.