ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
GAS-COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к газоперекачивающим агрегатам - ГПА, предназначенным для перекачки природного газа. Приводом газоперекачивающих агрегатов является газотурбинный двигатель.
4
Основную часть природного газа составляет метан (CH) - от 70 до 98%. В состав природного газа могут также входить более тяжелые углеводороды - гомологи метана:
2
6
- этан (CH),
3
8
- пропан (CH),
4
10
- бутан (CH).
а также другие неуглеводородные вещества:
В настоящее время основным видом транспорта является трубопроводный. Газ под давлением 75 атм прокачивается по трубам диаметром до 1,4 м. По мере продвижения газа по трубопроводу он теряет потенциальную энергию, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа, которая рассеивается в виде тепла. Поэтому через определенные промежутки необходимо сооружать компрессорные станции, на которых газ обычно дожимается до давления от 55 до 120 атм и затем охлаждается
Известен газоперекачивающий агрегат по патенту РФ на изобретение №2450139, МПК F02C 1/00, опубл. 10.05.2012 г.
Газоперекачивающий агрегат содержит компрессор, газотурбинный привод, газомасляный теплообменник, контур системы смазки и охлаждения подшипников газотурбинного привода, образованный маслопроводами, маслофильтром, газомасляным теплообменником, маслобаком, с установленным в нем нагревателем масла, датчиками контроля температуры масла, и контур системы подачи топливного газа в камеру сгорания газотурбинного привода, образованный газопроводами, газовым фильтром, этим же газомасляным теплообменником, нагревателем газа, регулятором давления газа, датчиком контроля температуры газа. В контуре системы смазки и охлаждения подшипников газотурбинного привода маслопровод подвода масла в газомасляный теплообменник и маслопровод отвода масла из газомасляного теплообменника соединены между собой маслопроводом-перемычкой с установленным в ней управляемым регулирующим клапаном, открываемым при пуске агрегата. В контуре системы подачи топливного газа в камеру сгорания газотурбинного привода газопровод подвода газа в газомасляный теплообменник и газопровод отвода газа из газомасляного теплообменника соединены между собой газопроводом-перемычкой с установленным в ней регулирующим клапаном.
Недостаток - сложность конструкции.
Известен газоперекачивающий агрегат по патенту РФ на полезную модель №155146, МПК F02C 6/00, опубл. 20.09.2015 г., прототип.
Газоперекачивающий агрегат содержит воздушный тракт, содержащий в свою очередь, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, свободную турбину, соединенную с газовым компрессором и систему подачи топливного газа в камеру сгорания с топливопроводом и активатором топлива,
Недостатки этого ГПА низкий КПД агрегата и эмиссия вредных веществ углерода, окислов углерода и азота. Кроме того при электрическом разряде в природном газе образуется углерод, что приводит к закоксовыванию форсунок. Применение озона вызывает коррозию деталей двигателя.
Очень низкая эффективность активатора топлива связанна с тем, что время жизни радикалов, возникающих при электрическом разряде в метане составляет около 30 наносек.
Из (статьи А.В. Кирюкова, В.В. Рыжкова, А.И. Суслова «Кинетика свободных радикалов в плазме искрового разряда в метане» Письма в ЖТФ, 1999 г., том 25, вып. 19) известно, что при конверсии метана образуются радикалы. Время жизни радикалов СН2 составляет около 30 наносек. За это время их концентрация уменьшается в 100 раз (фиг. 24) и они практически не влияют на активацию горения…
Задачи создания изобретения: повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, используемого в качестве привода газоперекачивающего агрегата.
Достигнутые технические результаты: повышение полноты сгорания в ГТД, улучшение его удельных характеристик и уменьшение эмиссии вредных веществ.
Решение указанных задач достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащем воздушный тракт, содержащий, в свою очередь, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, свободную турбину, соединенную с газовым компрессором и систему подачи топливного газа в камеру сгорания с топливопроводом и активатором топлива, тем, что система подачи топливного газа содержит электролизер воды и смеситель водорода и кислорода с топливным газом, установленный перед камерой сгорания. Электролизер может быть соединен посредством трубопровода, содержащего насос, с баком воды. Электролизер может быть выполнен в виде герметичной емкости, внутри которой установлены два электрода, присоединенных электрическими проводами к источнику электроэнергии. Между источником электроэнергии и одним из электродов может быть установлен реостат.
Газоперекачивающий агрегат может содержать активатор воздуха. Активатор воздуха может быть установлен в воздушном тракте. В качестве активатора воздуха может быть применен ионизатор. В качестве активатора воздуха может быть применен озонатор. Активатор воздуха может быть установлен во входном устройстве. Активатор воздуха может быть установлен в воздухозаборнике. Активатор воздуха может быть установлен за компрессором. Активатор воздуха может быть установлен между ступенями компрессора.
Активатор воздуха может быть установлен вне двигателя. Активатор воздуха установленный вне двигателя, может иметь вход присоединенный к выходу из компрессора, а выход соединен с камерой сгорания. Камера сгорания может быть выполнена со второй группой форсунок к которой присоединен выход из активатора воздуха. Выход из активатора воздуха может быть соединен с полостью между компрессором и камерой сгорания.
Детали воздухозаборника и компрессора могут быть выполнены из алюминиевых сплавов. Детали камеры сгорания, в первую очередь жаровая труба, форсуночная плита и коллектор покрыты жаропрочной эмалью.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…24, где:
- на фиг. 1 приведена схема газоперекачивающего агрегата с активатором воздуха, установленным во входном устройстве,
- на фиг. 2 приведена электрическая схема питания электролизера электрической энергией,
- на фиг. 3 приведена электрическая схема питания электролизера электрической энергией от электрического генератора,
- на фиг. 4 приведена схема газоперекачивающего агрегата с активатором воздуха, установленным в воздухозаборнике ГТД,
- на фиг. 5 приведена схема газоперекачивающего агрегата с активатором воздуха, установленным в воздухозаборнике ГТД,
- на фиг. 6 приведена схема газотурбинного двигателя с активатором воздуха, установленным за компрессором,
- на фиг. 7 приведена схема газотурбинного двигателя с активатором воздуха, установленным между ступенями компрессора,
- на фиг 8 и 9 приведена схема радиальной установки электродов,
- на фиг. 10 и 11 приведена схема параллельной установки электродов,
- на фиг. 12 и 13 приведена схема консольной радиальной установки электродов,
- на фиг. 14 и 15 приведена схема консольной параллельной установки электродов,
- на фиг. 16 приведена конструкция секции из двух электродов,
- на фиг. 17 приведен разрез А-А, первый вариант,
- на фиг. 18 приведен разрез А-А, второй вариант,
- на фиг. 19 приведен разрез А-А, третий вариант,
- на фиг. 20 приведена схема газотурбинного двигателя с активатором воздуха, установленный вне двигателя,
- на фиг. 21 приведена конструкция выносного активатора воздуха,
- на фиг. 22 приведена камера сгорания,
- на фиг. 23 приведен второй вариант камеры сгорания,
- на фиг. 24 приведено время жизни радикалов.
Предложенный ГПА (фиг. 1…24) содержит газотурбинный двигатель 1, входное устройство 2, выхлопное устройство 3, свободную турбину 4, содержащую, в свою очередь, корпус 5, сопловой аппарат 6 и рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8. Рабочее колесо 7 валом 9 соединено с нагнетающим компрессором 10, содержащим входной корпус 11, выходной корпус 12 и центробежное рабочее колесо 13. К входному корпусу 11 присоединена входная газовая труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15. (Средства очистки и охлаждения природного газа на фиг. 1…24 не показаны.)
Газотурбинный двигатель 1 содержит воздушный тракт 16, содержащий, в свою очередь, воздухозаборник 17, компрессор 18 и полость 19 за компрессором 18 и перед камерой сгорания 20. Воздушный тракт 16 включает также и входное устройство 2, не относящееся к конструкции газотурбинного двигателя 1.
За камерой сгорания 20 установлена турбина 21 и выполнен газовый тракт 22, соединяющий выход из камеры сгорания 20 с входом в свободную турбину 4.
Компрессор 18 содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат 23 и рабочее колесо 24 (фиг. 1) Турбина 21 содержит, по меньшей мере, одну ступень. Каждая ступень компрессора 18 содержит сопловой аппарат 25 и рабочее колесо 26.
Камера сгорания 20 содержит жаровую трубу 27, форсуночную плиту 28 с форсунками 29 и с коллектором 30 перед форсуночной плитой 28, предназначенным для подачи топливного газа к форсункам 29 через специальные каналы в форсуночной плите 28..
Более подробно конструкция камеры сгорания 20 приведена далее со ссылкой на фиг. 20 и 21. Вал 31, соединяет рабочие колеса 24 компрессора 18 и рабочее колесо 26 турбины 21 и установлен на опорах 32 и 33. Опор может быть более двух.
Система подачи топливного газа содержит топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой - с коллектором 30 камеры сгорания 20. В топливопроводе 34 установлены регулятор расхода 35 и клапан 36.
Таким образом, питание камеры сгорания 20 ГПА осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом.
Первой особенностью предложенного ГПА является наличие электролизера 37 и смесителя 38, к первому входу 39 которого присоединен топливопровод 34. (фиг. 1 и 2).
К второму входу 40 присоединен трубопровод подачи газа Брауна 41 с клапаном 42.
Газ Брауна - это смесь водорода и кислорода, полученная в результате электролиза воды в электролизере 37. Электролизер выполняет функцию активатора процесса горения и газ Брауна имеет неограниченное время жизни.
Электролизер воды 37 (фиг. 2) содержит герметичный корпус 43, внутри которого установлены два электрода 44 и 45, к которым присоединены электрические провода 46, соединяющие их с блоком питания 47, вход которого соединен проводами низкого напряжения 48 с источником электроэнергии 49, например аккумуляторной батареей. Один из электрических проводов 46 содержит выключатель 50 и реостат 51.
К электролизеру 37 присоединен трубопровод 52 с насосом 53, имеющим привод 54. Другой конец трубопровода 52 соединен с емкостью воды 55.
Выход 56 из смесителя 38 соединен с входом в камеру сгорания 20.
Активация топлива газом Брауна позволяет изменить его химический состав в сторону преобладания большего содержания метана и водорода. Учитывая, что такая смесь будет обладать большей теплотворной способностью мощность ГТА и его КПД резко возрастут.
Одновременно, активация входного воздуха - с образованием в нем озона ОЗ существенно повышает его окислительную способность и значит обеспечивает повышение полноты сгорания метана в камере сгорания. При сгорании активированного газообразного топлива смешанного с активированным воздухом в камере возникает более полное сгорание ТВС и возникает повышение давления на лопатки выходной турбины. При более полном сгорании ТВС в отходящих газах образуется угарный газ, диоксид азота (ядовитый газ), пары воды, после чего вода входит в реакцию с диоксидом азота и нейтрализует его, в результате получаем снижение расхода топливного газа и существенное снижение выбросов диоксида азота.
Подобных подходов к активации топливного газа (метану) еще не применяли, в газоперекачивающих станциях - единственное, что из метана в промышленных объемах получают водород и кристаллы твердого углерода. В Газпроме же снижение выбросов диоксида азота пытаются снизить лишь низкоэмиссионными камерами сгорания (более тщательное смешение воздуха и метана). Активатор с применение газа Брауна будет служить дополнительным источником снижения вредных выбросов в атмосферу.
Данный активатор можно будет применять на любом газотурбинном двигателе, единственное, что может различаться мощность активатора, в зависимости от количества потребляемого топлива (мощность и КПД газогенератора - основы ГТД).
Для обеспечения энергоснабжения электролизера воды 37 к валу 31 через редуктор 57 (фиг. 3) валом отбора 58 присоединен электрогенератор 59, который низковольтными проводами 48 соединен с источником электроэнергии 49, который проводами 46 соединен с электролизером 37, точнее с его электродами 44 и 45.
Если в качестве силовой установки ГПА используется авиационный газотурбинный двигатель, такой электрогенератор предусмотрен в его конструкции.
Второй особенностью предложенного ГПА является наличие активатора воздуха 60, установленного в воздушном тракте 16 или во входном устройстве 2 или вне двигателя 1 (фиг. 1 и 4). Активатор воздуха 60 содержит два электрода 61 и 62 (фиг. 1 и 4). При этом возможна его установка в любом месте воздушного тракта 16 (фиг. 5…7) или вне двигателя (фиг. 22 и 23). Установка активатора воздуха 60 вне газотурбинного двигателя 1 позволит выполнить доработку ГПА собственными силами, не прибегая к услугам двигателестроительных фирм.
Активатор воздуха 60 (фиг. 4) содержит два электрода 61 и 62, между которыми возникает электрическое поле.
В зависимости от напряжения м1жду электродами 61 и 62 и расстояния между ними в воздухе будут образовываться ионы или озон или их смесь, т.е. активатор воздуха 60 будет работать как ионизатор или озонатор. Для энергосабжения активатора воздуха 60 служит второй блок высокого напряжения 63 (фиг. 1 и 4).
Озон
3
3
2
Озон (O) (от греч. , «пахну») - простое вещество состава О, одно из аллотропических видоизменений элемента кислорода. В отличие от наиболее распространенной в атмосфере Земли молекулярной формы, кислорода О молекула озона состоит из трех атомов. Чистый озон при обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ, в толстом слое синего цвета, обладает сильнейшими окислительными свойствами.
Физические свойства
- Температура кипения: -111,9°C
- Температура критическая: -12,1°C
- Температура начала разложения:
- Теплота образования (жидк) (ккал/моль): +30,4
- Теплота образования (газ) (ккал/моль):
- Теплота плавления (ккал/моль): 0,5
- Теплота испарения: (ккал/моль): 3,626
- Критическое давление, 54,6 атм:
- Плотность:
- Плотность критическая:
Озон хорошо растворяется в воде (при обычных условиях 0,45 объема/1 объем воды) и при этом его водный раствор приобретает тонкую голубоватую окраску. Значительно лучше озон растворяется в различных хлор и фторопроизводных углеводородов (фреонах), например при обычных условиях в четыреххлористом углероде растворяется 3 объема озона /1 объем и раствор имеет красивый и насыщенный голубой цвет.
Химические свойства
Образование озона проходит по обратимой реакции
.
3
Озон представляет из себя весьма реакционно-способное химическое вещество, химическая активность которого исключительно велика. Это его свойство обусловлено тем, что трехатомная молекула озона способна к легкому распаду и дополнительному выделению энергии (озон эндотермичен). Освобождающийся атом кислорода имеет чрезвычайно высокую активность, усиленную дополнительной энергией. Так, например при комнатной температуре озон взаимодействует практически со всеми химическими элементами и их химическими соединениями. Под действием газообразного озона все металлы кроме Au, Pt, Ir превращаются в оксиды или покрываются тонкой оксидной пленкой, сульфиды, селениды, теллуриды окисляются до сульфатов, селенатов, теллуратов, аммиак окисляется до азотистой и азотной кислоты и т.д. Резина чрезвычайно быстро разрушается озоном (охрупчивается и рассыпается в порошок), а многие горючие органические вещества (спирты, кетоны, углеводороды и т.д.) при соприкосновении с озоном воспламеняются или взрываются. После некоторого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят воздействию озона Cu, Ni, Sn а также безуглеродистые сплавы железа с 25% хрома. Бактерии, грибы и вирусы при взаимодействии с озоном полностью разрушаются, что находит широкое применение для обеззараживания самых разнообразных сред. В присутствии небольших количеств HNO озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (-78°C) практически не разлагается.
Для питания активатора воздуха 60 предназначен второй блок высокого напряжения 63, который по выходу проводами высокого напряжения 46 соединен с электродами 61 и 62 и по входу проводами низкого напряжения 48 присоединен к источнику электрической энергии (фиг. 1 и)
Более детально конструкция активатора воздуха 60 показана на фиг.8...15. Активатор воздуха 60 содержит, кроме электродов 61 и 62 внутренний диэлектрический корпус 64 и внешний диэлектрический корпус 65, установленный внутри корпуса 66 ГТД 1. При этом электроды 61 и 62 могут быть установлены радиально (фиг. 8 и 9) или параллельно (фиг. 10 и 11). Электроды 61 и 62 могут быть выполнены радиальными и консольными (фиг. 12 и 13) или параллельными и консольными (фиг. 14 и 15).
Электроды 61 и 62 могут быть выполнены в виде параллельных пластин с острыми кромками 67 (фиг. 16) или а виде ромбов (фиг. 17) или в виде обтекаемых профилей (фиг. 18). Электроды 61 и 62 образуют секцию, которая монтируется на приливах на корпусе 66 ГТД 1 при помощи крышки 68 из электроизоляционного материала (фиг. 19). Острые кромки 66 способствуют активации процесса электрического разряда.
Второй вариант ГПА (фиг. 20) с выносным активатором воздуха 60 дополнительно содержит трубопровод отбора воздуха 69, присоединенный к выходу из компрессора 18, присоединенный к активатору воздуха 60, выход из которого трубопроводом 70 соединен с камерой сгорания 20.
Конструкция выносного активатора воздуха 60 приведена на фиг. 21. Активатор воздуха 60 содержит цилиндрический корпус 71 из диэлектрического материала, к которому присоединены входной и выходной патрубки 72 и 73. В камере 74 внутри цилиндрического корпуса 71 на держателях 75 и 76 установлены электроды 61 и 62.
Камера сгорания 20 для второго варианта ГПА с выносным активатором воздуха 60 (фиг. 22) содержит жаровую трубу 27, форсуночную пииту 28 и форсунки 29. На форсуночной плите 29 установлен коллектор 30.
Кроме того, камера сгорания 20 содержит второй коллектор 77 и вторую группу форсунок 78. К коллектору 30 присоединены форсунки 29, а к второму коллектору 77 - вторая группа форсунок 78 для ионизированного воздуха или озона. Под жаровой трубой 27 установлен внутренний кожух 80, образующий с жаровой трубой 27 внутренний канал 81. Между корпусом 82 камеры сгорания 20 и жаровой трубой 27 образован внешний канал 83. В жаровой трубе 27 выполнены отверстия 84. Все детали камеры сгорания 20 в первую очередь жаровая труба 27 должны быть покрыты жаростойкой эмалью.
Возможен третий вариант (фиг. 23) когда воздух с примесью ионов и озона подается перед форсуночной плитой 28. Этот вариант позволяет реально внедрить предложенное техническое решение без существенных доработок газотурбинного двигателя 1.
Вредное воздействие озона на детали корпуса ГТД 1 и камеры сгорания 20 исключено. Сплавы алюминия покрываются тонкой пленкой из окиси алюминия и в дальнейшем сплав на глубину не окисляется. Детали камеры сгорания покрыты жаростойкой эмалью.
РАБОТА ГПА
При работе газоперекачивающего агрегата (фиг 1…24) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг. 1…24 стартер не показан). Потом открывают клапан 36 (фиг. 1) и топливный газ из выходного трубопровода 15 по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 подается в коллектор 30 и далее в форсунки 29 камеры сгорания 20. Проходя смеситель 37, к топливу подмешивается газ «Брауна», идущий из электролизера 38 и происходит повышение энергетической активности топлива и активация топливного газа. Одновременно воздух из атмосферы поступает в воздушный тракт 16 и проходит через активатор воздуха 60, в котором образуются ионы и/или озон в зависимости от напряжения на выходе источника высокого напряжения 53. Ионы и/или озон образующегося за счет разрядов между электродами 60 и 61 высокого напряжения, подаваемого по высоковольтным проводам 22 на активатор воздуха 60. Происходит активация воздуха с образование озона.
При наличии выносного активатора воздуха 60 через него проходит незначительная (от 1 до 3%) часть воздуха, потребляемого ГТД 1 (фиг. 21 и 22). Но эта схема позволит отказаться от доработки камеры сгорания 20. В камеру сгорания 20 поступает смесь воздуха с ионизированным воздухом (и/или озоном) и активированное топливо. Учитывая, что ионизированный воздух и озон обладает более высокими окислительными свойствами, топливо сгорает полнее, при сгорании образуется более высокая температура продуктов сгорания. Это увеличивает его энергетический потенциал на турбине 21 и на свободной турбине 4. Кроме того, учитывая, что теплотворная способность водорода в 3 раза выше, чем у природного газа добавление каждого процента газа «Брауна» повышает КПД двигателя 1 примерно на 3%. Учитывая, что температура продуктов сгорания на входе в турбину 21 всегда имеет предельное проектное значение, можно снизить расход топлива для сохранения заданной температуры.
Одновременное применение всех мероприятий (активатора топливного газа и активатора воздуха) приведет к экономии топлива на 10…20%. Использование электролизера и активатора топлива уменьшит эмиссию вредных веществ в атмосферу при работе ГПА за счет интенсификации процесса горения в камере сгорания.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить экономичность газоперекачивающего агрегата за счет более полного сгорания углеводородного топлива, что достигнуто применением активаторов топливного газа и воздуха.
2. Уменьшить выхлоп в атмосферу вредных веществ, углерода - С и окислов углерода - СО и окислов азота.
3. Обеспечить работоспособность ГПА при эксплуатации на больших высотах (в высокогорных районах) за счет применения ионизированного воздуха или озона.
4. На максимальных режимах повысить степень сжатия компрессора газотурбинного двигателя за счет реализации более полного сгорания топлива и повышения мощности основной и свободной турбин.