СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОТОРНОГО ОТСЕКА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА И НАПОРНАЯ ПРИТОЧНАЯ СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F02C7/12 

Способ воздушного охлаждения моторного отсека газоперекачивающего агрегата и напорная приточная система вентиляции для его осуществления

Изобретение относится способу и устройству для вентиляции и воздушного охлаждения газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов и электрических станций с газотурбинными двигателями с силовой турбиной, далее по тексту ГТД, и может быть использовано для снижения температуры в моторном отсеке ГТД.

Известен способ охлаждения моторного отсека ГТД газоперекачивающего агрегата, используемого ныне в существующих агрегатах (1) (Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16. Техническое описание 1.4300.4.0000.000.ТО, Сумский филиал специального конструкторского бюро по созданию воздушных и газовых турбохолодильных машин. 1982 г). Способ заключается в подаче сжатого воздуха одним или двумя вентиляторами в отсек с приводным ГТД через обратный клапан, далее по тексту ОК, в воздухораспределительное устройство, которое соединено трубопроводом с вентиляторами.

Основным недостатком известного способа является недостаточная эффективность при высоких температурах окружающего воздуха, связанная с рециркуляцией отработанного горячего воздуха при работе системы, что способствует тому, что в летний период температура воздуха внутри отсека может достигать более 100°C и выше, даже с включенным приточным центробежным вентилятором. Это приводит к оплавлению кабельной обвязки двигателя, отказу элементов освещения, управления и контроля, а также может привести к выходу из строя и ложному срабатыванию датчиков загазованности и датчиков пожарной сигнализации.

Известно устройство охлаждения-вентиляции моторного отсека ГТД газоперекачивающего агрегата, используемого ныне в существующих агрегатах (2) (Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16 1.4300.4.0000.000.ИЭ. Инструкция по эксплуатации. Сумское машиностроительное НПО имени М.В.Фрунзе 1987), которое состоит из двух центробежных приточных вентиляторов охлаждения двигателя, основной и резервный, каждый из которых подает воздух через ОК. Вентиляторы установлены в отсеке вентиляции, и по трубопроводам подают охлаждающий воздух в воздухораспределительное устройство, установленное в моторном отсеке.

Недостатком известного устройства является недостаточная площадь окон выпуска отработавшего горячего воздуха из моторного отсека и верхнее расположение патрубков подачи охлаждающего воздуха приводит к «закольцовке» горячего воздуха в моторном отеке, что приводит к повышению температуры в моторном отсеке.

При работе ГТД на режиме увеличение температуры воздуха в моторном отсеке обусловлено конвективным теплообменом, который связан с «продувом» горячего воздуха в моторный отсек. Продувы горячего воздуха происходят через элементы соединения ГТД из канала между внутренней и внешней оболочками двигателя. Холодный воздух, подаваемый для охлаждения ГТД, перемешивается с горячим воздухом моторного отсека и способствует повышению температуры в моторном отсеке. Свой вклад в повышение температуры, в меньшей степени, вносит теплообмен от внешней оболочки газогенератора и свободной турбины. Имеет место тепловое излучение от нагретых внешних корпусов и обечаек газовоздушного тракта: турбины высокого давления, свободной турбины, выхлопной шахты ГТД

Задачей предлагаемого технического решения является эффективное охлаждение моторного отсека во время работы газотурбинного двигателя на всех режимах и при любых температурах окружающего воздуха в диапазоне, предусмотренном (2) Инструкцией по эксплуатации Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16 1.4300.4.0000.000.ИЭ. Сумское машиностроительное НПО имени М.В.Фрунзе 1987 и снижение энергетических затрат на отопление при режиме «горячий резерв».

Задача решается путем реализации способа, основанного на использовании устойчивых вихревых структур, обеспечивающих непрерывную подачу охлаждающего воздуха к нагретым элементам газотурбинного двигателя и отвод горячего воздуха от ГТД с его минимальной рециркуляцией. Способ также предусматривает поддержание в моторном отсеке необходимой температуры воздуха для работы ГТД за счет регулируемых перепусков горячего воздуха из моторного отсека в отсек вентиляции с изменением частоты вращения приводных электродвигателей вентилятора при экстремальных условиях эксплуатации и на всех эксплуатационных режимах ГТД.

Способ воздушного охлаждения моторного отсека газоперекачивающего агрегата, применяемый в напорной системе вентиляции-охлаждения приточного типа с двумя напорными вентиляторами, один из которых находится в резерве, заключающийся в том, что охлаждающий воздух из атмосферы всасывают одним из двух вентиляторов через входной клапан воздушный северного исполнения и компримируют его, после чего поток охлаждающего воздуха через полнопроходный обратный клапан подают по одному из двух воздуховодов в воздухораспределитель, в котором его разделяют на две равные части, и по двум выпускным патрубкам из воздухораспределителя подают в моторный отсек с обеих сторон газотурбинного двигателя на уровне его оси, вдоль его наружных стенок, причем каждый из потоков охлаждающего воздуха подают на охлаждение длинной стенки моторного отсека в направлении улитки выхлопа, при этом поток направляют к стенке отсека под углом от 10 до 20 градусов по горизонтали и от 10 до 20 градусов вниз по вертикали, за счет чего генерируют устойчивую вихревую структуру, в которой поток охлаждающего воздуха подают по винтовой линии вдоль длинной стороны моторного отсека, посредством которой обеспечивают непрерывную подачу охлаждающего воздуха к нагретым стенкам газотурбинного двигателя и отбирают нагретый воздух, при этом отработавший горячий воздух удаляют через два выпускных окна, установленных в верхней части моторного отсека на его длинной стороне; причем температуру в моторном отсеке регулируют за счет изменения частоты вращения вентиляторов, а при экстремально низких температурах окружающего воздуха перепускают горячий воздух из моторного отсека в отсек вентиляции на вход в вентиляторы.

На фиг. 1 показана система приточной вентиляции моторного отсека ГТД газоперекачивающего агрегата магистрального газопровода. Цифрами указаны:

1. Отсек вентиляции

2. Моторный отсек

3. Входное устройство ГТД

4. Входной клапан воздушный северного исполнения

5. Вентиляторы осевые основной и резервный

6. Клапан обратный полнопроходный

7. Патрубок подачи воздуха к воздухораспределителю

8. Разделительная перегородка

9. Окна перепуска воздуха на рециркуляцию

10. ГТД

11. Воздухораспределитель

12. Выходные патрубки

13. Окна выпуска отработанного горячего воздуха из моторного отсека

14. Шумоглушители

15. Клапан воздушный для выпуска воздуха

16. Гравитационный клапан

Напорная приточная система вентиляции (Фиг. 1) располагается в двух отсеках газоперекачивающего агрегата - отсеке вентиляции 1 и моторном отсеке 2, причем отсек вентиляции 1 расположен сверху-спереди моторного отсека 2, над входным устройством ГТД 3. В отсеке вентиляции расположены: входной клапан воздушный утепленный северного исполнения 4 (2 шт), вентиляторы осевые 5 основной и резервный, клапан обратный полнопроходный 6 (2 шт), патрубок подачи воздуха к воздухораспределителю 7 (2 шт), проходящий через разделительную перегородку 8, разделяющую моторный отсек 2 и отсек вентиляции 1. На перегородке 8 установлены окна перепуска воздуха на рециркуляцию 9 (2 шт). В моторном отсеке расположены: ГТД 10 (1 шт), воздухораспределитель 11 (1 шт), патрубки подачи воздуха к воздухораспределителю 7 (2 шт), окна для выпуска отработанного горячего воздуха из моторного отсека 13 (2 шт), каждое из которых снаружи оборудовано шумоглушителями 14 и клапаном воздушными для выпуска воздуха из моторного отсека, установленными на окна внутри. Воздухораспределитель 11 имеет клапан воздушный для выпуска воздуха 15, оборудованный гравитационным клапаном 16, для перепуска охлаждающего воздуха на верхнюю часть ГТД 10 на максимальных режимах работы системы вентиляции.

Заявляемая напорная приточная система вентиляции моторного отсека газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата магистрального газопровода содержит установленные в отсеке вентиляции 1 входной клапан подачи наружного воздуха 4, два приточных вентилятора 5, к выходным фланцам которых прикреплены выходные полнопроходные обратные клапаны 6 с установленными на них патрубки подачи воздуха 7, проходящие через разделительную перегородку 8. Разделительная перегородка отделяет отсек вентиляции 1 от моторного отсека 2. Система оснащена частотным регулированием оборотов вентиляторов и оборудована воздухораспределителем 11, закрепленным на разделительную перегородку 8 в верхней части моторного отсека 2. Воздухораспределитель 11 оснащен четырьмя фланцами входа и выхода потока охлаждающего воздуха. Два фланца, расположенные на его верхней стенке, предназначены для крепления патрубков подачи воздуха 7 к воздухораспределителю 11, а два других фланца, расположенные по бокам в нижней его части, служат для крепления выходных патрубков 12. Воздухораспределитель 11 оборудован клапаном воздушным для выпуска воздуха 15 из воздухораспределителя 11 на максимальных режимах работы системы вентиляции, с гравитационным клапаном 16. Корпус клапана для выпуска воздуха 15 непосредственно закреплен на задней стенке воздухораспределителя 11 по его оси между двумя выходными патрубками подачи воздуха 12. Приточная система охлаждения и вентиляции моторного отсека оснащена двумя окнами выпуска отработанного горячего воздуха 13 из моторного отсека 2 в атмосферу, которые установлены в верхней части моторного отсека по обе стороны от ГТД 10 и расположены на середине длинной стороны моторного отсека. Окна выхода воздуха 13 из моторного отсека 2 изготовлены из перфорированных панелей шумоглушения толщиной 100 мм и оборудованы щелевыми шумоглушителями 14, которые также изготовлены из панелей шумоглушения толщиной 100 мм и установлены с шагом между ними 100 мм. Панели щелевого шумоглушителя 14 в окнах выхода воздуха 13 смонтированы горизонтально, суммарная площадь прохода воздуха двух выходных окон превышает площадь входа в один вентилятор как минимум в десять раз. На разделительной перегородке 8, между отсеком вентиляции и моторным отсеком, установлены два клапана перепуска воздуха на рециркуляцию 9, обеспечивающих регулируемый перепуск подогретого воздуха из моторного отсека 2 в отсек вентиляции 1 при низких температурах окружающего воздуха.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Перед запуском ГТД в работу включается входной клапан воздушный северного исполнения 4, открывающий подачу воздуха к вентиляторам 5. После этого включается один из осевых вентиляторов 5, который засасывает холодный воздух извне отсека и прокачивает охлаждающий воздух через себя, далее через обратный клапан 6 и через патрубок подачи воздуха 7 к воздухораспределителю 11. При этом канал второго (нерабочего) вентилятора 5 закрыт обратным полнопроходным клапаном 6, и воздух в воздухораспределитель поступает в один из двух входных фланцев, расположенных в верхней части воздухораспределителя 11. После работы системы на максимальном режиме не менее чем одну минуту запускается ГТД. Воздухораспределитель 11 спроектирован таким образом, что разделяет поток воздуха, входящего в него через один фланец, и распределяет его в соотношении 50:50 по двум выходным патрубкам 12, расположенным по бокам воздухораспределителя 11 в нижней (его) части. Охлаждающий воздух из воздухораспределителя 11 по трем каналам направляется на охлаждение моторного отсека 2 через два выходных патрубка 12, установленных на нижние фланцы воздухораспределителя 11 и расположенных по обеим сторонам ГТД 10, и через язычковый гравитационный клапан 16, установленный на средней части воздухораспределителя 11, который служит для перепуска воздуха на максимальных режимах работы вентилятора 5. На максимальных режимах работы системы вентиляции часть потока охлаждающего воздуха через язычковый гравитационный клапан 16 поступает сверху на ГТД 10 и на максимальных оборотах вентилятора 5 обеспечивает охлаждение его элементов, расположенных в верхней части. После выхода на рабочий режим «Магистраль» производится регулировка температуры в моторном отсеке. Отработавший нагретый воздух удаляется вовне моторного отсека 2 через окна выпуска горячего воздуха 13, оборудованные панелями шумоглушителями 14, которые расположены горизонтально, причем корпус окон выпуска горячего воздуха также собран из шумоглушащих панелей. При экстремально низких температурах окружающего воздуха регулировка температуры в моторном отсеке 2 осуществляется путем использования режима рециркуляции горячего воздуха из моторного отсека 2 в отсек вентиляции 1. С этой целью используются два управляемых окна перепуска воздуха на рециркуляцию 9, установленных на разделительную перегородку 8 между моторным отсеком 2 и отсеком вентиляции 1, через которые часть горячего воздуха из моторного отсека перепускается в отсек вентиляции 1 и обеспечивает необходимую температуру в моторном отсеке 2

Эффективность заявляемого способа и устройства охлаждения-вентиляции моторного отсека агрегата ГПА-Ц-16 с двигателем НК-16СТ подтверждается испытаниями, проведенными на КС «Приозерная» ООО «Газпром трансгаз Югорск» в ноябре 2008 года. Испытания проводились на режиме «Кольцо» и позволили снизить температуру воздуха в моторном отсеке с 84°C до 42°C с одновременным снижением потребляемой вентиляторами мощности с 28 кВт до 7,5 кВт. По сравнению с существующей системой заявляемая система позволяет:

- эффективно осуществлять охлаждение моторного отсека и отвод тепла от ГТД во время работы на всех режимах и при любых температурах окружающего воздуха, в том числе и при экстремально низких температурах;

- поддерживать требуемое небольшое избыточное давление в моторном отсеке, что увеличивает безопасность газоперекачивающего агрегата с ГТД при использовании в качестве топлива природного газа;

- увеличить количество прокачиваемого воздуха через моторный отсек путем использования осевых вентиляторов, имеющих меньшее энергопотребление по сравнению с используемыми центробежными вентиляторами;

- выравнивать температуру в моторном отсеке за счет рециркуляции воздуха в моторном отсеке на режиме «горячий резерв» для снижения энергозатрат на отопление при совместной работе системы вентиляции с системой отопления газоперекачивающего агрегата;

- использовать режим рециркуляции совместно с изменением частоты вращения электродвигателей вентилятора во время работы ГТД на режиме с целью предотвращения выхолаживания отсека при экстремально низких температурах окружающего воздуха.

Источники информации

1. Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16. Техническое описание 1.4300.4.0000.000.ТО, Сумский филиал специального конструкторского бюро по созданию воздушных и газовых турбохолодильных машин, 1982 г.

2. Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16 1.4300.4.0000.000.ИЭ. Инструкция по эксплуатации. Сумское машиностроительное НПО имени М.В.Фрунзе,1987.

Способ и устройство воздушного охлаждения моторного отсека газоперекачивающего агрегата, применяемые в напорной системе вентиляции-охлаждения приточного типа с двумя напорными вентиляторами, один из которых находится в резерве. Охлаждающий воздух из атмосферы всасывают одним из двух вентиляторов через входной клапан воздушный северного исполнения и компримируют его. После чего поток охлаждающего воздуха через обратный клапан подают по одному из двух воздуховодов в воздухораспределитель, в котором его делят на две равные части, и по двум выпускным патрубкам из воздухораспределителя подают в моторный отсек с обеих сторон газотурбинного двигателя вдоль его наружных стенок на уровне горизонтальной плоскости, проходящей через ось газотурбинного двигателя. Каждый из потоков охлаждающего воздуха подают на охлаждение длинной стенки моторного отсека в направлении улитки выхлопа. Поток направляют к стенке отсека под углом от 10 до 20 градусов по горизонтали и от 10 до 20 градусов вниз по вертикали в направлении улитки выхлопа газов, за счет чего генерируют устойчивую вихревую структуру, в которой охлаждающий воздух подают по винтовой линии вдоль длинной стороны моторного отсека, посредством которой обеспечивают непрерывную подачу охлаждающего воздуха к нагретым стенкам газотурбинного двигателя и отбирают нагретый воздух. Отработавший горячий воздух удаляют через два выпускных окна, установленных в верхней части моторного отсека на его длинной стороне, при этом температуру в моторном отсеке регулируют за счет изменения частоты вращения вентиляторов, а при экстремально низких температурах окружающего воздуха перепускают горячий воздух на вход в вентиляторы. Конструкция системы позволяет увеличить количество прокачиваемого воздуха через моторный отсек путем использования осевых вентиляторов, имеющих меньшее энергопотребление по сравнению с используемыми центробежными вентиляторами; выравнивать температуру в моторном отсеке за счет рециркуляции воздуха в моторном отсеке на режиме «горячий резерв» для снижения энергозатрат при совместной работе системы вентиляции с системой отопления; использовать режим рециркуляции совместно с изменением частоты вращения электродвигателей вентилятора во время работы ГТД на режиме с целью предотвращения выхолаживания отсека при экстремально низких температурах окружающего воздуха. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ воздушного охлаждения моторного отсека газоперекачивающего агрегата, применяемый в напорной системе вентиляции-охлаждения приточного типа с двумя напорными вентиляторами, один из которых находится в резерве, отличающийся тем, что охлаждающий воздух из атмосферы всасывают одним из двух вентиляторов через входной клапан воздушный северного исполнения и компримируют его, после чего поток охлаждающего воздуха через обратный клапан подают по одному из двух воздуховодов в воздухораспределитель, в котором его делят на две равные части, и по двум выпускным патрубкам из воздухораспределителя подают в моторный отсек с обеих сторон газотурбинного двигателя вдоль его наружных стенок на уровне горизонтальной плоскости, проходящей через ось газотурбинного двигателя, причем каждый из потоков охлаждающего воздуха подают на охлаждение длинной стенки моторного отсека в направлении улитки выхлопа, при этом поток направляют к стенке отсека под углом от 10 до 20 градусов по горизонтали и от 10 до 20 градусов вниз по вертикали в направлении улитки выхлопа газов, за счет чего генерируют устойчивую вихревую структуру, в которой охлаждающий воздух подают по винтовой линии вдоль длинной стороны моторного отсека, посредством которой обеспечивают непрерывную подачу охлаждающего воздуха к нагретым стенкам газотурбинного двигателя и отбирают нагретый воздух, при этом отработавший горячий воздух удаляют через два выпускных окна, установленных в верхней части моторного отсека на его длинной стороне, при этом температуру в моторном отсеке регулируют за счет изменения частоты вращения вентиляторов, а при экстремально низких температурах окружающего воздуха перепускают горячий воздух на вход в вентиляторы.

2. Напорная приточная система вентиляции моторного отсека газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата магистрального газопровода, содержащая установленные в отсеке вентиляции 1 входной клапан подачи наружного воздуха 4, два приточных осевых вентилятора 5, к выходным фланцам которых прикреплены выходные полнопроходные обратные клапаны 6, на которые установлены патрубки подачи воздуха 7, которые проходят через разделительную перегородку 8, отделяющую отсек вентиляции 1 от моторного отсека 2, отличающаяся тем, что оснащена частотным регулированием оборотов вентиляторов и оборудована воздухораспределителем 11, установленным в верхней части моторного отсека 2 над входным устройством компрессора 3 ГТД 10, причем воздухораспределитель 11 оснащен четырьмя фланцами, два из которых расположены на его верхней стенке для крепления патрубков подачи воздуха 7 воздухораспределителя 11, а два других фланца расположены по бокам в нижней его части для крепления выходных патрубков 12; воздухораспределитель 11 оборудован клапаном воздушным для выпуска воздуха 15 из воздухораспределителя 11 на максимальных режимах с гравитационным клапаном 16, при этом клапан воздушный для выпуска воздуха 15 непосредственно закреплен на задней стенке воздухораспределителя 11 по его оси между двумя выходными патрубками подачи воздуха 12; приточная система охлаждения и вентиляции моторного отсека оснащена двумя окнами выпуска отработанного горячего воздуха 13 из моторного отсека 2 в атмосферу, которые установлены в верхней части моторного отсека на середине длинной стороны моторного отсека симметрично по обе стороны от ГТД 10, причем каждое из окон выхода воздуха из моторного отсека образовано панелями шумоглушения толщиной 100 мм с щелевыми шумоглушителями 14, также собранными из панелей шумоглушения толщиной по 100 мм, установленными горизонтально с шагом между ними 100 мм, причем суммарная площадь двух выходных окон превышает площадь входа в один вентилятор как минимум в десять раз, а на разделительной перегородке 8 между отсеком вентиляции и моторным отсеком установлены два клапана перепуска воздуха на рециркуляцию 9.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что отсек вентиляции расположен внутри моторного отсека над газотурбинным двигателем в подкрышном пространстве.

4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что используется для охлаждения и вентиляции моторного отсека электростанции с газотурбинным двигателем на газообразном топливе.