РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ПРИВОД ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Российский патент 2006 года по МПК F04D25/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области регенеративных газотурбинных установок, применяемых для привода газоперекачивающих агрегатов, и может быть использовано в газовой промышленности на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Известен регенеративный газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата (ГПА), включающий газотурбинную установку (ГТУ) типа ГТК-10-4 с турбинами высокого и низкого давления осевым компрессором и камерой сгорания, гидравлически связанную с блоком регенерации теплоты отходящих газов, содержащим два газовоздушных регенератора, служащих для подогрева циклового воздуха, поступающего в камеру сгорания, расположенные симметрично продольной оси газоперекачивающего аппарата и имеющие входной и выходной тракты циклового воздуха, связанные соответственно с осевым компрессором и камерой сгорания [1, 2].

Недостатки известного привода заключаются в том, что в процессе длительной эксплуатации ГПА, вследствие образования трещин, свищей и т.п. дефектов в конструкционных узлах регенераторов, в каждом из них происходят различные по степени неравномерности температуры, давления и расхода утечки циклового воздуха, дестабилизирующие процесс объемного сжигания топливного газа в камере сгорания, инициирующие возникновение прогаров и недопустимых деформаций фронтового устройства, жаровой трубы и газоходов камеры сгорания, асимметричные деформации обоймы турбины высокого давления, развитие очаговой высокотемпературной коррозии лопаточного аппарата и т.д. В результате из-за существенного роста неравномерностей температурного поля перед турбиной высокого давления снижаются эксплуатационная надежность и технико-экономические показатели ГПА [3 с. 179; 4 с.179-180].

Наиболее близким к заявляемому регенеративному газотурбинному приводу газоперекачивающего агрегата по решаемой технической задаче является регенеративный газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата, включающий газотурбинную установку с турбинами высокого и низкого давления, осевым компрессором и камерой сгорания, снабженную двумя регенераторами, имеющими входной и выходной тракты для пропускания через регенераторы расходов отходящих газов и циклового воздуха, причем входной газовый тракт каждого регенератора снабжен дополнительным трактом, соединенным с общецеховым коллектором и имеет устройство для регулирования расхода отходящих газов при их впуске и выпуске из коллектора, снабженного, по меньшей мере, одним выходным трактом, имеющим устройство для регулирования расхода отходящих газов при их выпуске из коллектора в атмосферу [5].

В известном регенеративном газотурбинном приводе, за счет снижения на переходных режимах при пусках и остановках ГПА неравномерностей температуры в регенераторах и предотвращения тем самым появления новых дефектов в конструкционных узлах, вызывающих дополнительную разгерметизацию регенераторов, вероятность возникновения дополнительных утечек циклового воздуха на переходных режимах существенно снижается, что в целом повышает надежность эксплуатации компрессорного цеха, уменьшает количество ремонтов и замен регенераторов. Но при этом ранее имеющиеся в каждом отдельном регенераторе даже относительно небольшие (1-2%) неравномерности утечек циклового воздуха не только сохраняются, но вследствие постепенно накапливаемой дефектности конструкционных узлов в процессе длительной эксплуатации регенераторов они возрастают, что в итоге приводит к снижению эксплуатационной надежности, мощности и экономической эффективности турбоагрегата и ГПА на стационарных режимах. Например, практика эксплуатации в ОАО "Газпром" ГПА с ГТУ типа ГГК-10-4, снабженной двумя регенераторами, показывает, что при разнице расхода циклового воздуха между регенераторами на уровне 1% перерасход топливного газа для одного ГПА составляет до 30 тыс. кубометров в год [6. п.3.26]. Фактически указанная разница может составлять 3% и более. С учетом того, что в ОАО "Газпром" доля постоянно эксплуатируемых ГПА с регенеративным газотурбинным приводом достигает 50%, реальные годовые потери топливного газа, обусловленные негерметичностью регенераторов, оцениваются в десятки миллионов кубометров.

Задачей изобретения является повышения эксплуатационной надежности и технико-экономической эффективности ГПА. Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого решения, заключается в существенном уменьшении неравномерностей температурного поля в камере сгорания и перед турбиной высокого давления, снижении степени дефектности узлов камеры сгорания, турбины и горячих трактов ГТУ.

Поставленная задача решается тем, что в известном регенеративном газотурбинном приводе газоперекачивающего агрегата, включающем газотурбинную установку с осевым компрессором и камерой сгорания, связанную с блоком из двух газовоздушных регенераторов, каждый из которых трактом циклового воздуха последовательно связан с осевым компрессором и камерой сгорания, согласно изобретению между блоком регенераторов и камерой сгорания размещено устройство для смешения циклового воздуха, выполненное в виде горизонтально расположенной цилиндрической емкости, содержащей установленную по ее длине перегородку с центральным отверстием, симметрично которому емкость снабжена двумя подводящими и двумя отводящими патрубками, соединенными соответственно с выходными трактами циклового воздуха регенераторов и трактами подачи циклового воздуха в камеру сгорания. Кроме того, перегородка с центральным отверстием может быть смещена относительно продольной оси емкости в сторону подводящих патрубков на расстояние, равное 0,05-0,1 внутреннего диаметра цилиндрической емкости. А также, тракты циклового воздуха между регенераторами и устройством для смешения могут быть снабжены компенсаторами теплового расширения.

Размещение между блоком регенераторов и камерой сгорания устройства для смешения циклового воздуха позволяет на входе в камеру сгорания получить равномерно нагретый поток воздуха с заданным давлением и расходом, обеспечивающий объемное сжигание топливного газа в расчетном режиме, т.е. термодинамически эффективно и экономично и подать затем равномерно нагретый поток рабочего тела в турбину высокого давления. Выполнение устройства для смешения в виде горизонтально расположенной емкости, содержащей установленную по ее длине перегородку с центральным отверстием и с симметричным, относительно этого отверстия, расположением двух подводящих и двух отводящих патрубков, позволяет при минимальной потере давления обеспечить симметричное натекание воздушных потоков из регенераторов и их эффективное объемное перемешивание сначала в полости, ограниченной перегородкой, а затем при протекании через центральное отверстие. Смещение перегородки с центральным отверстием и сторону подводящих патрубков на расстояние, равное 0,05-0,1 внутреннего диаметра цилиндрической емкости, обеспечивает восстановление давления перемешанного воздушного потока в полости за перегородкой и его равномерную раздачу в каждый из отводящих патрубков. При смещении перегородки на расстояния, выходящие за указанные пределы, в полости за перегородкой образуются застойные зоны в пристеночных областях и полного восстановления давления не происходит. Компенсаторы теплового расширения, установленные, на каждом из двух трактов циклового воздуха - воздуховодах, соединяющих регенераторы с устройством для смешения, предохраняют его от термодеформаций, способных вызвать нерасчетные изменения гидравлического сопротивления и гидравлические потери на его входе.

Предлагаемый регенеративный газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата показан на следующих чертежах: на фиг.1 - схема газотурбинного привода; на фиг.2 - устройство для смешения, разрез.

Газотурбинный привод (фиг.1) содержит газотурбинную установку 1, включающую осевой компрессор 2, механически связанный с турбиной высокого давления 3, с которой гидравлически связаны турбина низкого давления 4 и камера сгорания 5. Блок регенерации содержит два газовоздушных регенератора 6 и 7, каждый из которых с помощью газоходов 8 связан с турбиной низкого давления 4 и с помощью воздуховодов 9 связан с осевым компрессором 2. Устройство для смешения, представляющее собой горизонтально расположенную емкость 10, расположено между выходами регенераторов и камерой сгорания и связано с ними соответственно воздуховодами 11 и 12. На воздуховодах 11 установлены компенсаторы тепловых перемещений 13. Дымовые трубы обозначены позицией 14, направления течения газовых и воздушных потоков обозначены стрелками. Устройство для смещения (фиг.2) содержит перегородку 15, плотно закрепленную по своим краям внутри цилиндрической емкости 10. В перегородке выполнено центральное отверстие 16, а сама она смещена относительно продольной оси емкости на величину "А". Емкость снабжена двумя подводящими патрубками 17, соединенными с воздуховодами 11 через компенсаторы 13, и двумя отводящими патрубками 18, соединенными с воздуховодами 12. Позицией 19 обозначено наружное теплоизоляционное покрытие, которое нанесено на поверхность емкости патрубков и воздуховодов с целью снижения тепловых потерь при транспортировке циклового воздуха в камеру сгорания.

Предлагаемый регенеративный газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата работает следующим образом.

В процессе работы газотурбиной установки 1 в качестве привода ГПА атмосферный воздух сжимается в осевом компрессоре 2, приводимом во вращение от турбины высокого давления 3 и по воздуховодам 9 поступает в регенераторы 6 и 7, через которые от турбины низкого давления 4 по газоходам 8 противотоком поступают горячие отходящие газы. В результате теплообмена с отходящими газами нагретый цикловой воздух из каждого регенератора по воздуховодам 11 через патрубки 17 поступает внутрь емкости 10, где происходит перемешивание обоих потоков сначала в полости, ограниченной перегородкой 15, а затем при протекании общего расхода через центральное отверстие 16. Далее воздух симметрично вытекает из емкости 10 через патрубки 18 и по воздуховодам 12 поступает в камеру сгорания 5, куда одновременно извне подводится топливный газ (на чертеже не показано). Продукты сгорания в виде равномерно перемешанной смеси из камеры сгорания поступают в турбину высокого давления 3, затем в турбину низкого давления 4, служащую для привода центробежного нагнетателя (на чертеже не показано), на выходе из которой расширяются, поступают в регенераторы 6 и 7 и через дымовые трубы 14 выбрасываются в атмосферу.

Оптимизация геометрических и гидравлических параметров смесительного устройства проводится с учетом термодинамических характеристик конкретных типов ГПА. Например, в ГПА с приводом типа ГТК-10-4, оснащенном двумя пластинчатыми регенераторами, характеризующемся внутренним КПД η_в=0,26 и степенью регенерации ω=0,67, размеры смесительного устройства составляют: внутренний диаметр цилиндрической емкости D_вн=1600 мм, длина L=8000 мм, смещение перегородки А=100 мм, диаметр центрального отверстия в перегородке D_отв=1200 мм, внутренние диаметры подводящих и отводящих патрубков D_патр=800 мм. Гидравлическое сопротивление смесительного устройство не превышает 50 мм, что находится в допустимых пределах для воздушного тракта штатной установки в целом. Неравномерность температурного поля в потоках циклового воздуха на входе в камеру сгорания не превышает 3°С, что в 3-5 раз ниже, чем в штатных установках. Неравномерность средней температуры газовоздушного потока за смесителем камеры сгорания не превышает 5°С, а неравномерность температуры рабочего тела перед турбиной высокого давления составляет 8-10°С вместо допустимых 30-40°С и фактических 75-100°С. В результате резко уменьшается неравномерность тепловыделения в камере сгорания, повышается эксплуатационная надежность ГПА, существенно снижаются потери топливного газа.

Источники информации

1. Пат. РФ №2200255, F 04 D 25/02, 26.02.2002 г.

2. Газоперекачивающий агрегат мощностью 10 МВт. Описание ТИ-6017-71. Невский машиностроительный завод, 1972 г.

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

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

5. Заявка РФ №2004107235/06, F 04 D 27/00, 12.03.2004 г. (Положительное решение).

6. Методика расчета величины (норм) удельной экономии природного газа на собственные нужды компрессорной станции в соответствии с перечнем основных мероприятий. Труды ВНИИГАЗ. М., 1985 г.

Изобретение относится к области регенеративных газотурбинных установок и может быть использовано в газовой промышленности на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата содержит газотурбинную установку, связанную с блоком из двух газовоздушных регенераторов. Между блоком регенераторов и камерой сгорания газотурбинного агрегата размещено устройство для смешения циклового воздуха, выполненное в виде горизонтально расположенной цилиндрической емкости. Внутри емкости, по ее длине, установлена перегородка с центральным отверстием, симметрично которому емкость снабжена двумя подводящими и двумя отводящими патрубками, соединенными соответственно с выходными трактами циклового воздуха регенераторов и входными трактами циклового воздуха камеры сгорания. Перегородка с центральным отверстием может быть смещена относительно продольной оси емкости в сторону подводящих патрубков на расстояние, равное 0,05-0,1 внутреннего диаметра емкости. Тракты циклового воздуха между регенераторами и емкостью могут быть снабжены компенсаторами теплового расширения. Изобретение обеспечит уменьшение неравномерности температурного поля в камере сгорания и перед турбиной высокого давления, снижение степени дефектности узлов камеры сгорания, турбины и горячих трактов ГТУ. 2 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Регенеративный газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата, включающий газотурбинную установку с осевым компрессором и камерой сгорания, связанную с блоком из двух газовоздушных регенераторов, каждый из которых трактом циклового воздуха последовательно связан с осевым компрессором и камерой сгорания, отличающийся тем, что между блоком регенераторов и камерой сгорания размещено устройство для смешения циклового воздуха, выполненное в виде горизонтально расположенной цилиндрической емкости, содержащей установленную по ее длине перегородку с центральным отверстием, симметрично которому емкость снабжена двумя подводящими и двумя отводящими патрубками, соединенными соответственно с выходными трактами циклового воздуха регенераторов и входными трактами циклового воздуха камеры сгорания.2. Регенеративный газотурбинный привод по п.1, отличающийся тем, что перегородка с центральным отверстием смещена относительно продольной оси емкости в сторону подводящих патрубков на расстояние, равное 0,05-0,1 внутреннего диаметра емкости.3. Регенеративный газотурбинный привод по п.1, отличающийся тем, что тракты циклового воздуха между регенераторами и устройством для смешения снабжены компенсаторами теплового расширения.