Приводная газотурбинная установка газоперекачивающего агрегата с утилизационной турбоустановкой автономного электроснабжения
DRIVE GAS-TURBINE PLANT OF GAS COMPRESSOR UNIT WITH UTILISATION TURBINE PLANT FOR INDEPENDENT POWER SUPPLY

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при разработке или реконструкции многовальных газотурбинных установок (ГТУ), предназначенных для привода нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и автономного электроснабжения компрессорных станций (КС) с этими ГПА.
Используемые термины и определения (согласно ГОСТ Р 54404-2011 «Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия», ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения» и др. источникам):
ГПА с газотурбинным приводом – агрегат, предназначенный для компримирования природного газа на компрессорных станциях (КС) газопроводов и подземных хранилищ газа, содержащий нагнетатель (как правило, центробежный) природного газа и приводную газотурбинную установку, снабженные системой автоматического управления и вспомогательными устройствами, обеспечивающими их нормальную эксплуатацию.
Газотурбинная установка, ГТУ – газотурбинный двигатель и все основное оборудование, необходимое для генерирования энергии в полезной форме. В заявляемой приводной ГТУ ГПА с утилизационной турбоустановкой полезными формами вырабатываемой ею энергии является механическая энергия привода нагнетателя природного газа и электрическая энергия собственных нужд КС.
Газотурбинный двигатель, ГТД – машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии в механическую, состоящая из одного или нескольких компрессоров, одного или нескольких тепловых устройств (камер сгорания), в которых повышается температура рабочего тела, одной или нескольких газовых турбин, вала отбора мощности, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования.
Компрессор – компонент ГТД, повышающий давление рабочего тела.
Турбина (газовая) – компонент ГТД, преобразующий потенциальную энергию нагретого рабочего тела под давлением в механическую работу.
Многовальный ГТД – ГТД, имеющий, по крайней мере, две газовые турбины, вращающиеся на независимых валах (в ГПА используются, как правило, серийные двух- и трехвальные ГТД).
Силовая турбина – компонент многовального ГТД - турбина на отдельном валу, с которого отбирается выходная мощность.
Приводная турбина компрессора – компонент многовального ГТД - турбина на отдельном валу с приводимым ею компрессором.
Помпаж компрессора – неустойчивый режим работы центробежного или осевого компрессора, характеризующийся срывом потока рабочего тела (воздуха) в компрессоре, потерей динамической устойчивости и напора, сильными низкочастотными колебаниями массового расхода рабочего тела, способными привести к разрушению оборудования. Явление помпажа возникает, когда отношение скорости потока к окружной скорости рабочей лопатки какой-то ступени компрессора становится слишком низким, например, вследствие того, что объемный расход воздуха через ступень компрессора мал (например, при высоком давлении воздуха за рабочей лопаткой), а обороты ротора компрессора слишком велики.
Антипомпажное регулирование (применительно к заявляемому устройству) – приведение в соответствие оборотов вала компрессора текущим значениям температуры воздуха на входе компрессора в обеспечение его устойчивой работы во всем эксплуатационном диапазоне режимов ГТД.
Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора (ступени) – отношение изоэнтропной работы сжатия компрессора (ступени), определенной по степени повышения полного давления и начальной температуре торможения, к полной (фактически затрачиваемой) работе сжатия компрессора (ступени).
Преобразователь частоты переменного тока (частотный преобразователь - ПЧ) - электронное устройство, осуществляющее преобразование трехфазного или однофазного переменного тока с одной частотой (например, 50 (60) Гц) в трехфазный или однофазный ток с другой частотой (от 1 до 800 Гц) и предназначенное для плавного регулирования оборотов асинхронного или синхронного электродвигателя за счет создания на выходе ПЧ электрического напряжения заданной частоты [Источники: Википедия «Частотный преобразователь (электропривод)»; Википедия.«Частотно-регулируемый привод»].
Устройство преобразования (преобразователь) частоты и напряжения генератора переменного тока (ПЧГ): устройство, осуществляющее преобразование вырабатываемого электрогенератором трехфазного или однофазного переменного тока с напряжением меняющейся частоты и амплитуды на переменных нагрузках в трехфазный или однофазный ток с напряжением неизменной частоты и амплитуды и предназначенное для питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды [Источник: патент РФ №2522896, бюл. №20, опубл. 20.07.2014 и др.].
Повышение эффективности электроснабжения наиболее актуально для отдаленных КС газотранспортной системы ПАО Газпром, автономное электроснабжение которых обеспечивают, как правило, собственные дорогостоящие газотурбинные электростанции с низким КПД, большими потерями электроэнергии в линиях электропередач и большими затратами на техобслуживание и планово-предупредительный ремонт.
Тривиальное (очевидное, на первый взгляд, для специалиста) решение проблемы автономной выработки переменного тока собственных нужд (СН) с постоянной частотой 50 (60) Гц и амплитудой напряжения непосредственно на КС (применяемое, в частности, в судовых газотурбинных агрегатах) – путем установки турбогенератора СН с ПЧГ на вал силовой турбины и нагнетателя природного газа ГПА – трудноосуществимо, поскольку данное решение потребует внесения серьезных изменений в конструкцию нагнетателя и ГПА в целом в обеспечение взрывопожаробезопасности, а также приведет к увеличению электропотребления на дополнительную вентиляцию и воздушное охлаждение агрегата и, в итоге, к недобору мощности для привода нагнетателя, особенно в жаркое время года, когда мощность ГТД минимальна.
Наиболее перспективное направление совершенствования приводных ГТУ ГПА основано на применении устройств, осуществляющих выработку электроэнергии СН за счет утилизации тепла выхлопных газов ГТД. Основным критерием выбора такой утилизационной энергоустановки являются простота и надежность ее работы, достигаемые без снижения эффективности работы ГТД во всем эксплуатационном диапазоне, что особенно актуально для отдаленных КС, работающих в районах Крайнего Севера. Указанным требованиям наилучшим образом соответствуют утилизационные турбоустановки, реализующие цикл Брайтона с использованием в качестве рабочего тела воздуха или выхлопных газов ГТД.
Известно устройство, приведенное в монографии Б.Х. Перельштейна «Новые энергетические системы». Казань, КГТУ, 2008, (с.10, рис. 1.4 «Силовая установка с перерасширением рабочего тела за силовой турбиной без стандартного газогенератора»), реализующее цикл Брайтона на перерасширении выхлопных газов ГТД, содержащее силовую газовую турбину 4, кинематически связанную с локальным потребителем механической мощности (турбогенератором), сообщенную на входе по газу с выходом ГТД по выхлопным газам, холодильник (газоохладитель) 2, дожимающий компрессор 3, сообщенный на выходе по газу с атмосферой, а также установленную на одном валу с ротором дожимающего компрессора 3 приводную турбину перерасширения 1, сообщенную на входе по газу с выходом силовой турбины 4 по газу, на выходе по газу – через тракт газоохладителя 2 по охлаждаемому газу – с входом дожимающего компрессора 3 по газу. Недостатками данного устройства являются нерешенность проблемы регулирования его работы в реальных условиях – на переменных нагрузках на валу силовой турбины и при изменении параметров выхлопных газов основного ГТД, весь выхлоп которого направляется в силовую турбину, а также большая металлоемкость и габариты газоохладителя и увеличенные размеры лопаток турбомашин из-за низкого давления газа в газоохладителе (порядка 0,030-0,035 МПа).
Известен также ряд ГТД с регенерацией тепла, в частности, предложенных в патентахРФ №№2192552 и 2346170, содержащих многовальный ГТД и воздушную утилизационную турбоустановку, состоящую из рекуперативного газо-воздушного теплообменника, а также установленных на валу силовой газовой турбины дополнительного компрессора и силовой воздушной турбины, сообщенной на входе по воздуху с выходом дополнительного компрессора по воздуху через воздушный тракт газо-воздушного теплообменника. Их недостатками (применительно к условиям эксплуатации на КС) являются проблематичность установки турбогенератора собственных нужд КС на силовой вал ГТД в схеме ГПА (по указанным выше причинам), а также низкая среднегодовая эффективность ГТУ с утилизационной воздушной турбоустановкой, обусловленная тем, что с изменением температуры наружного воздуха в широких пределах (что характерно для условий эксплуатации на отдаленных КС) меняются в широких пределах обороты основного компрессора и соотношение расходов греющего газа и воздуха в газо-воздушном теплообменнике.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является ГТУ с утилизационной воздушной турбоустановкой (Air cycle thermodynamic conversion system, US Patent №4751814, опубл. 21 июня 1988, фиг.4) [https://www.google.ru/patents/US4751814?dq=U.S.+Patent+4,751,814&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwilqOnRr__OAhWGC5oKHThoDZkQ6AEIHDAA], содержащая ГТД 12, а также утилизационную турбоустановку (УТУ), содержащую воздухоподогреватель 76, сообщенный на входе по греющему газу с выходом ГТД по выхлопным газам, воздушный компрессор, состоящий из каскадов низкого давления (КНД) 78 и высокого давления (КВД) 85, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, и воздушную турбину 90, установленную на одном валу с КНД и КВД, кинематически связанную с потребителем механической мощности воздушной УТУ (например, турбогенератором) и сообщенную на входе по воздуху через тракт воздухоподогревателя 76 по воздуху с выходом КВД 85 по воздуху. В отличие от предыдущих аналогов, мощность УТУ вырабатывается не на силовом, а на отдельном валу, на котором может быть установлен турбогенератор собственных нужд КС. Однако прототип имеет следующие недостатки.
Во-первых, электрическая нагрузка турбогенератора должна быть достаточно мала, чтобы она могла быть выработана воздушной УТУ при работе ГТД на частичных нагрузках в холодный период, т.е. при пониженных значениях температуры и расхода выхлопных газов ГТД. Во-вторых, избыточная мощность УТУ сверх текущего автономного электропотребления, которая может быть развита при более высоких значениях температуры и расхода выхлопных газов ГТД, в прототипе не используется, в то время как КПД ГТД во всем эксплуатационном диапазоне остается пониженным из-за потерь давления в газовом тракте воздухоподогревателя. В-третьих, обороты основного компрессора многовального ГТД, сообщенного на входе по воздуху с атмосферой, на переменных режимах и при переменных температурах наружного воздуха постоянно меняются, в то время как обороты КНД 78 поддерживаются на постоянном уровне (50 (60) Гц), что приводит к изменению соотношения расходов теплоносителей в воздухоподогреватель 76 и снижению мощности УТУ. В-четвертых, с понижением температуры наружного воздуха снижаются адиабатный КПД основного компрессора ГТД и запасы по помпажу (из-за возрастания оборотов компрессора (компрессоров) многовального ГТД), что требует применения специальных средств антипомпажного регулирования и, в итоге, учитывая также уменьшение мощности УТУ в холодный период, приводит в холодный период к снижению КПД ГТУ с УТУ в целом.
Целью заявляемого изобретения является предотвращение недопустимого снижения мощности турбогенератора УТУ на частичных нагрузках приводной ГТУ и повышение эффективности ГТУ с УТУ в целом во всем эксплуатационном диапазоне. Техническим результатом является обеспечение примерного равенства расходов теплоносителей в воздухоподогревателе УТУ, а также передачи избыточной по сравнению с текущим электропотреблением мощности УТУ, а в холодный период – и избыточной мощности приводной турбины ГТД на силовой вал ГТД с целью повышения КПД ГТУ и годовой эффективности ГТУ с УТУ в целом.
Определение из перечня выявленных аналогов указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.
Заявляемая приводная ГТУ газоперекачивающего агрегата с УТУ автономного электроснабжения содержит ГТД и УТУ, содержащую воздухоподогреватель, сообщенный на входе по греющему газу с выходом ГТД по выхлопным газам, компрессор, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, турбогенератор и воздушную турбину, установленную на одном валу с компрессором УТУ, кинематически связанную с турбогенератором и сообщенную на входе по воздуху через тракт воздухоподогревателя по воздуху с выходом компрессора УТУ по воздуху, на выходе по воздуху –с атмосферой.
Согласно изобретению, ГТД выполнен многовальным, содержащим основной компрессор, приводную турбину и силовую турбину, вал компрессора УТУ кинематически связан с валом основного компрессора со стороны входа основного компрессора по воздуху, турбогенератор снабжен устройством преобразования (преобразователем) частоты генератора переменного тока (ПЧГ), выполненным с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды, УТУ содержит газоохладитель и дымосос, сообщенный на входе по газу через тракт газоохладителя по охлаждаемому газу с выходом воздухоподогревателя по газу, на выходе по газу – с атмосферой, при этом дымосос снабжен приводным электродвигателем с преобразователем частоты (ПЧ), электрически связанным с выходом турбогенератора по напряжению переменной частоты либо с выходом ПЧГ по напряжению постоянной частоты.
Кинематическая связь между валами компрессора УТУ и основного компрессора ГТД обеспечивает синхронизацию расходов теплоносителей в воздухоподогревателе, а также увеличение максимальной мощности турбогенератора УТУ в холодный период при частичных нагрузках на валу силовой турбины. Применение любого из известных из уровня техники ПЧГ, выполненного с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением постоянной частоты и амплитуды, позволяет отпускать электроэнергию потребителям КС при любых текущих оборотах УТУ и основного компрессора. Поддержание этих оборотов на оптимальном уровне, соответствующем минимуму расхода топлива в ГТУ для покрытия текущих нагрузок на электроснабжение потребителей КС и на валу силовой турбины, обеспечивается регулируемой подачей питания на привод дымососа, являющегося, по сути, компрессором уходящих газов. С увеличением подачи питания на привод дымососа его обороты возрастают, давление газа на выхлопе силовой турбины ГТД снижается, что обеспечивает прирост ее мощности, который при малых степенях сжатия в дымососе превышает затраты мощности на привод дымососа примерно в 1,4-1,7 раз (в зависимости от соотношения температур газа на выхлопе ГТД и перед дымососом). Тем самым обеспечивается передача избыточной мощности, развиваемой воздушной турбиной, а в холодный период – и приводной газовой турбиной на вал силовой турбины с соответствующим повышением КПД ГТД и эффективности ГТУ с УТУ в целом.
В ходе проведенного анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, не обнаружено, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведена приводная ГТУ газоперекачивающего агрегата с утилизационной турбоустановкой автономного электроснабжения в варианте с ПЧ, электрически связанным с выходом турбогенератора по напряжению переменной частоты, на фиг.2 – в варианте с ПЧ, электрически связанным с выходом ПЧГ по напряжению постоянной частоты.
Приводная ГТУ газоперекачивающего агрегата с утилизационной турбоустановкой (УТУ) автономного электроснабжения, представленная на фиг.1 и 2, содержит ГТД 1 и УТУ, содержащую воздухоподогреватель 2, сообщенный на входе по греющему газу с выходом ГТД 1 по выхлопным газам, компрессор 3 утилизационной турбоустановки, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, турбогенератор 4 и воздушную турбину 5, установленную на одном валу 6 с компрессором 3, кинематически связанную с турбогенератором 4 и сообщенную на входе по воздуху через тракт воздухоподогревателя 2 по воздуху с выходом компрессора 3 по воздуху, на выходе по воздуху – с атмосферой.
1
2=
Согласно изобретению, ГТД 1 выполнен многовальным (в данном примере – двухвальным), содержащим основной компрессор 7, приводную газовую турбину 8 и силовую турбину 9, вал 6 компрессора 3 кинематически связан с валом основного компрессора 7 со стороны входа основного компрессора 7 по воздуху (в приведенном на чертеже примере – через сцепную муфту 10), турбогенератор 4 снабжен преобразователем частоты генератора переменного тока (ПЧГ) 11, выполненным с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды, УТУ содержит газоохладитель 12 и дымосос 13, сообщенный на входе по газу через тракт газоохладителя 12 по охлаждаемому газу с выходом воздухоподогревателя 2 по газу, на выходе по газу – с атмосферой, при этом дымосос 13 снабжен приводным электродвигателем 14 с ПЧ 15, электрически связанным электрической цепью 16: в варианте, приведенном на фиг.1 – с выходом турбогенератора 4 по напряжению переменной частоты f, в варианте, приведенном на фиг.2 – с выходом ПЧГ 11 по напряжению постоянной частоты f50 (60) Гц, в данном примере – через распределительное устройство (РУ) 17. В обоих вариантах питание всех потребителей напряжения постоянной частоты и амплитуды производится через ПЧГ 11 и РУ 17.
На валу силовой турбины 9 ГТД 1 установлен нагнетатель природного газа 18.
ГТУ работает следующим образом.
1
2
2
1
3
1
1
Сжатый в компрессоре 3 УТУ воздух нагревают в воздухоподогревателе 2 выхлопными газами силовой турбины 9, затем подают в воздушную турбину 5, где, расширяясь, воздух вместе с приводной турбиной 8 совершает работу по приводу турбогенератора 4 и компрессоров 3 и 7. Греющий газ из воздухоподогревателя 2 поступает в газоохладитель 12, где охлаждается до минимально возможной температуры (водой или раствором антифриза с отводом тепла внешним потребителям и/или в окружающую среду), далее поступает в дымосос 13, где охлажденный газ дожимают до давления окружающей среды и отводят в атмосферу. Вырабатываемое турбогенератором 4 напряжение переменной частоты, равной текущей частоте вращения вала 6 f, подают через ПЧГ 11 и РУ 17 на питание потребителей переменного тока с частотой f=50(60) Гц, а также – через электрическую цепь 16 – в ПЧ 15 приводного электродвигателя 14 дымососа 13 непосредственно (фиг.1), либо через ПЧГ 11 и РУ 17 с частотой f=50(60) Гц (фиг.2). Питание электродвигателя 14 производят с регулированием по условию поддержания оборотов вала компрессоров 3 и 7 f на оптимальном уровне (соответствующем минимуму расхода топлива в ГТД 1 при текущих нагрузках). При возрастании оборотов выше оптимального уровня подачу питания на электродвигатель 14 увеличивают, обороты f и мощность дымососа возрастают, разрежение на выхлопе силовой турбины и ее мощность увеличиваются, а обороты вала 6 fиз-за увеличения мощности, расходуемой на привод турбогенератора 4, а также из-за снижения температуры на выхлопе силовой турбины 9, снижаются. И наоборот, при снижении оборотов вала 6 ниже оптимального уровня подачу питания в электродвигатель 14 уменьшают. Таким образом, устойчивость процесса регулирования оборотов вала 6 в заявляемом устройстве обеспечена. Оптимальные обороты вала 6 f при разных значениях температуры наружного воздуха, мощности нагнетателя 17 и отпускаемой через ГРУ 18 электрической мощности определяют расчетным путем и по результатам испытаний в ходе проведения пусконаладочных работ.
Пуск ГПА осуществляют стандартным путем - подачей электропитания в тиристорно-пусковое устройство турбогенератора 4 с переводом его в режим электродвигателя, осуществляющего раскрутку вала компрессоров 3 и 7 (вала 6), используя для этого какой-либо известный из технического уровня стартовый источник электропитания (аккумулятор, пускорезервный дизель-генератор или др.). По мере раскрутки вала 6 с компрессорами, воспламенения топлива в камере сгорания ГТД и перехода ГТД в режим холостого хода тиристорно-пусковое устройство турбогенератора 7 отключают, турбогенератор 4 ставят под нагрузку с минимальной подачей электроэнергии только на привод дымососа 13. Темпы увеличения подачи топлива в камеру сгорания ГТД с соответствующим возрастанием оборотов вала 6 регламентируют, исходя из допустимых темпов прогрева оборудования ГТУ с УТУ, в частности воздухоподогревателя 2. По мере достижения оптимального уровня оборотов вала 6 внешние источники электроэнергии отключают, автономное электроснабжение КС обеспечивает УТУ.
Приведенный пример представлен для иллюстрации заявляемого изобретения с применением каждого из двух альтернативных признаков формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его применения. Прежде всего это относится к составу электрооборудования, не указанного в формуле: виды и число используемых средств регулирования напряжения в электросети объекта электроснабжения, число распределительных устройств, число уровней амплитуды напряжения для разных потребителей переменного тока с неизменной частотой и амплитудой, которое определяется составом и характеристиками потребителей и может быть различным. Это относится также и к тепловой части заявляемой установки, в частности к исполнению компрессоров 3 и 7 (с регулируемыми входными направляющими аппаратами или без таковых). ГТД 1 может быть не двухвальным, а трехвальным агрегатом, с двухкаскадным основным компрессором, состоящим из компрессоров низкого и высокого давления, установленных на отдельных валах со своими приводными турбинами. Число воздухонагревателей с газоохладителями и электроприводными дымососами, сообщенных на входе по греющему газу с выходом газотурбинного двигателя по выхлопным газам, может быть равно двум или более, а не одному, как в приведенных на фиг. 1 и 2 примерах, и т.п.
В любом из перечисленных вариантов применение заявляемого изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата, предотвращает недопустимое снижение мощности турбогенератора при частичных нагрузках ГТУ и обеспечивает повышение эффективности ГТУ с УТУ во всем эксплуатационном диапазоне.