СПОСОБ РАБОТЫ ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
TURBO-EXPANDER POWER PLANT OPERATION METHOD

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к турбодетандерам, и может быть использовано в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа, одновременного получения механической энергии и хладоресурса.
n
Турбодетандер работает при повышенном давлении газовой среды на входе, до 10,0 - 12,0 МПа, относительно низкой температуре < -10°C, в диапазоне расходов природного газа 60 - 95 кг/с. В указанном диапазоне параметров наиболее рациональным решением является создание турбодетандера с быстроходным ротором (частота вращения ротора  > 10000 об/мин) с целью получения оптимальных значений коэффициента быстроходности, лежащих в диапазоне 0,50 - 0,55, минимальных диаметральных габаритов, оптимальную высоту проточной части (высота лопаток > 30 мм). Однако при высоких величинах частоты вращения ротора требуется использование циркулирующей смазки для опор ротора турбодетандера, что приводит к трудностям с уплотнением, разграничением природного газа и жидкой смазки (при наддуве уплотнений опор происходит потеря части природного газа).
Известны технические решения, в которых реализованы различные подходы к повышению эффективности редуцирования давления газа с одновременным поддержанием заданного уровня мощности установки (патенты РФ № 2005897, № 2013615, № 2264581, № 2317430, № 2386818).
Известна турбодетандерная энергетическая установка (патент РФ № 185177), содержащая турбодетандер, соединенный с магистральным трубопроводом, блок управления. На входе турбодетандера установлен дроссель с возможностью изменения диаметра проходного сечения.
Недостатками известных турбодетандерных установок являются их низкая надежность и недостаточная эффективность, связанная со значительными осевыми нагрузками, передаваемыми на опорный подшипник.
Задача повышения надежности турбодетандерной установки может быть решена за счет создания специальной конструкции узла опорного подшипника, обеспечивающего ремонт и замену опорного подшипника (патент РФ № 2528888). Задача также может быть решена за счет повышения несущей способности опорного подшипника (патент РФ № 2468310).
Осмысление реализованных технических решений привело авторов изобретения к необходимости поиска принципиально иного подхода к решению имеющейся технической проблемы.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при реализации заявленного технического решения, заключается в повышении надежности работы опорного подшипника турбодетандерной установки.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в уменьшении величины осевого усилия, передаваемого на опорный подшипник ротора турбодетандерной установки с одновременным улучшением условий смазки опорного подшипника.
Заявленный технический результат достигается реализацией способа работы турбодетандерной энергетической установки содержащей снабженную устройством регулирования трехступенчатую осевую лопаточную машину, ротор которой установлен в подшипниках качения, характеризующийся тем, что отбор мощности с ротора осевой лопаточной машины осуществляют при постоянной частоте вращения, поддерживая заданное давление газа на входе и на выходе осевой лопаточной машины, контролируя величину осевой нагрузки на опорный подшипник ротора и обеспечивая изменение расхода газа через установку в диапазоне от 0,7 до 1,3 его номинального значения, для чего в качестве устройства регулирования применяют регулируемый сопловой аппарат, с использованием которого изменяют вплоть до отрицательных значений степень реактивности по меньшей мере первой ступени осевой лопаточной машины и обеспечивают снижение до заданного значения величины осевой нагрузки на опорный подшипник ротора, в полость которого под давлением подают пластичную смазку, формируют утечку газа для вывода смазки из полости опорного подшипника с суфлированием указанной полости.
Каждый из признаков и вся совокупность существенных признаков в целом обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Далее изобретение подробно раскрывается со ссылкой на иллюстративные материалы, где
на фиг. 1 приведена зависимость относительного расхода природного газа через турбодетандер от угла установки лопаток соплового аппарата;
на фиг. 2 приведен график, отражающий изменение КПД турбодетандера от угла установки лопаток соплового аппарата;
на фиг. 3 - график, показывающий расчетную мощность турбодетандера в зависимости от угла установки лопаток соплового аппарата;
на фиг. 4 показано расчетное изменение осевой силы, действующей на опорный подшипник ротора в зависимости от угла установки лопаток соплового аппарата.
Заявленный способ работы турбодетандерной энергетической установки осуществляется следующим образом.
Турбодетандерная энергетическая установка (далее - турбодетандер) содержит трехступенчатую осевую лопаточную машину, которая располагается в байпасной линии газового контура. Ротор лопаточной машины установлен в подшипниках качения.
В нерабочем состоянии турбодетандера, рабочее тело (природный газ) отсекается от установки входной и выходной задвижками.
При запуске турбодетандера, вначале, открывают задвижку со стороны входа в установку. Проточная часть и внутренние полости турбодетандера заполняются природным газом, ротор установки неподвижен. Далее открывают задвижку со стороны выхода турбодетандера, ротор установки продолжает находиться в неподвижном состоянии. Далее, при помощи задвижки, перекрывают основную линию газового контура, направляя природный газ в проточную часть лопаточной машины. Установка начинает работать.
Согласно изобретению способ работы осуществляется с использованием регулируемого соплового аппарата. Отбор мощности осуществляется при постоянной частоте вращения. В процессе отбора мощности выполняются следующие действия: поддерживается заданное давление газа на входе и на выходе осевой лопаточной машины; контролируется величина осевой нагрузки на опорный подшипник ротора и обеспечивается изменение расхода газа через установку в диапазоне от 0,7 до 1,3 его номинального значения.
Заданное давление газа поддерживается с использованием задвижек, расположенных на входе и на выходе осевой лопаточной машины. Для выравнивания входного давления, предотвращения случайных забросов давления на входе лопаточной машины целесообразно установить решетку.
Контролирование величины осевой нагрузки на опорный подшипник ротора осуществляют с целью снижения ее значения до заданного. Для снижения величины осевой нагрузки изменяют степень реактивности по меньшей мере первой ступени осевой лопаточной машины с использованием регулируемого соплового аппарата. Причем степень реактивности изменяют вплоть до отрицательных значений.
Выполнение технологических требований, предъявляемых к турбодетандеру, обеспечивается изменением расхода газа через установку в диапазоне от 0,7 до 1,3 его номинального значения. Расход газа через турбодетандер изменяют, регулируя перепады давления между ступенями турбодетандера.
Кроме того, для достижения заданных технологических параметров турбодетандерной энергетической установки осуществляют действия, направленные на улучшение условий смазки опорного подшипника. В рамках заявленного изобретения улучшение условий смазки обеспечивают подачей в его полость пластичной смазки, которую осуществляют под давлением. При этом для улучшения условий смазки и предотвращения попадания смазки в проточную часть лопаточной машины, формируют утечку газа для вывода смазки из полости опорного подшипника и обеспечивают суфлирование полости опорного подшипника.
Заявленный способ работы турбодетандера позволяет повысить ресурс работы установки, обеспечив при этом приемлемое значение КПД (не менее 75%), приемлемое значение осевой силы (не более 5 тс), приемлемое значение изменения расхода газа (до ± 30% номинального значения, преимущественно ± 20%).
Регулирование режима работы турбодетандера выполняют изменением положения задвижки со стороны выхода установки и изменением угла установки лопаток соплового аппарата в соответствии со следующей программой регулирования:
(1)
где
- степень понижения давления в турбодетандере (отношение полного давления газового потока со стороны входа в установку к полному давлению со стороны выхода установки);
- угол установки лопаток первого соплового аппарата;
- частота вращения ротора турбодетандера.
Регулирование турбодетандера осуществляется таким образом, чтобы обеспечить постоянную степень понижения давления на установке и постоянную частоту вращения ротора  об/мин.
Остановка турбодетандера осуществляется в обратном порядке.
Наиболее простой способ регулирования турбодетандера по величине расхода на входе - регулирование угла поворота сопловых лопаток по программе постоянства полного давления на входе. Однако в данном случае не будет отслеживаться/регулироваться частота вращения ротора турбодетандера, что может отразиться на невозможности передачи мощности на генератор и на изменении/ухудшении условий работы опор на закладной смазке.
Наиболее рациональный способ регулирования турбодетандера - регулирование по программе постоянства физической частоты вращения ротора  об/мин. При использовании данной программы регулирования надо иметь в виду, что мощность турбодетандера будет изменяться в соответствии с расчетной кривой, приведенной на фиг 3. Поэтому, закон регулирования турбодетандера (1) предполагает также регулирование нагрузки на генераторе (регулирование потребителей вырабатываемой мощности).
При регулировании расхода газа и изменении угла установки лопаток соплового аппарата в проточной части происходят следующие явления.
При регулировании турбодетандера на уменьшение расхода природа газа, ниже номинальной величины, лопатки соплового аппарата поворачиваются в сторону уменьшения проходных сечений венца. При этом доля теплоперепада на ступень с регулируемым сопловым аппаратом увеличивается (увеличение доли теплоперепада от суммарного теплоперепада на установку). Уменьшается степень реактивности этой ступени (становится более отрицательной).
При регулировании турбодетандера на увеличение расхода природного газа, выше номинальной величины, лопатки соплового аппарата поворачиваются в сторону увеличения проходных сечений венца. При этом доля теплоперепада на ступень с регулируемым сопловым аппаратом уменьшается. Увеличивается степень реактивности этой ступени.
Изменение величины осевой силы при повороте лопаток соплового аппарата будет зависеть от изменения степени реактивности ступеней, параметров газового потока на входе и выходе из рабочих лопаточных венцов, геометрии проточной части турбодетандера.
Нулевая степень реактивности ступени обеспечивает отсутствие разности давлений по разные стороны диска ротора в данной ступени, т.е. нулевое осевое усилие, передающееся на упорный подшипник ротора. Отрицательная степень реактивности на первой ступени турбодетандера приводит к диффузорному течению в рабочем колесе, что несколько снижает КПД установки (приблизительно, на 2%), но также приводит к обратной разности давлений с разных сторон диска данной ступени. С учетом принятого распределения теплоперепадов между первой ступенью и остальными ступенями (степень реактивности имеет около нулевую, но положительную величину) 50%:50%, суммарная осевая сила, создаваемая газовыми силами, действующими на диски второй и третьей ступеней, частично компенсируется осевой силой, создаваемой газовыми силами, действующими на диск первой ступени. Диск первой ступени «тянет» ротор вверх по потоку, диски второй и третьей ступеней «тянут» ротор вниз по потоку.
Как показано на фиг. 1 изменение угла установки лопаток соплового аппарата первой ступени в пределах 0°…6°, приводит к изменению расхода природного газа через турбодетандер в пределах +20% … -25% от номинальной величины (при выбранной программе регулирования, см. (1)). При этом КПД турбодетандера по параметрам заторможенного потока изменяется в пределах +5% … -15% от номинальной величины. Номинальное значение КПД, обеспечиваемое конструктивными параметрами турбодетандера, при значении коэффициента быстроходности турбодетандера 0,50 - 0,55 и коэффициента расхода по выходу из лопаточных венцов равного 0,3, ожидается в области 0,75.
Изменение угла установки лопаток соплового аппарата первой ступени в пределах 0°…6°, приводит к изменению мощности установки в пределах +27% … -40% от номинальной величины (см. фиг.3). Величина осевой силы, действующей на опорный подшипник установки со стороны ротора, изменяется в пределах +3% …-22% от номинальной величины (фиг. 4).
Таким образом, при принятых конструктивных и проектных решениях, осевая нагрузка, действующая на опорный подшипник ротора турбодетандера, зависит, в основном, от газодинамических усилий газового потока на лопатках рабочего колеса установки.
Околонулевая степень реактивности ступеней турбодетандера, отрицательная степень реактивности первой ступени турбодетандера (степень реактивности остальных ступеней имеют положительную около нулевую величину), а также увеличенный теплоперепад на первую ступень турбодетандера приведет к снижению величины осевой силы на расчетном режиме. При этом уменьшение КПД первой ступени вследствие применения отрицательной степени реактивности (диффузорное течение в рабочем лопаточном венце) повлияет на уменьшение КПД турбодетандера на величину, приблизительно равную произведению уменьшения КПД первой ступени и относительной доли теплоперепада в первой ступени по отношению к теплоперепаду на турбодетандере в целом.
Номинальная величина осевой силы, действующей на опорный подшипник ротора проектируемого турбодетандера, с учетом введенных проектных и конструкторских решений, составила ~ 2 - 3 тс.
Для предотвращения попадания масляной аэрозоли (смеси природного газа с мельчайшими частицами смазки) в проточную часть турбодетандера и в газо-воздушный тракт, в масляных полостях установки предусмотрено суфлирование. Масляная аэрозоль под давлением природного газа, отводится через трубки из масляной полости за пределы установки. Для регулирования расхода аэрозоли предусмотрен дроссель на концах отводящих трубок.
Работа подшипников на закладной смазке, в условиях заданной частоты вращения ротора для проектируемой установки - не более 500 часов (интервал замены закладной смазки). С целью предотвращения остановки турбодетандера для замены закладной смазки, в конструкции установки предусмотрены технические решения для обеспечения замены закладной смазки на работающей установке.
Для поддержания определенного, минимального количества консистентной смазки в опорах турбодетандера предусмотрена система, состоящая из расширительного бака со смазкой, клапанов и трубок подвода консистентной смазки в опоры. В расширительный бак подводится природный газ, отбираемый с входа в турбодетандер. В баке устанавливается давление, равное давлению природного газа перед турбодетандером. Из бака выходят трубки к масляным полостям турбодетандера. В начале каждой трубки расположены клапаны. При открытии клапанов консистентная смазка под давлением движется по трубкам от бака к масляным полостям (давление в масляных полостях ниже давления перед турбодетандером в величину равную, приблизительно, степени понижения давления в проточной части лопаточной машины).
Реализация заявленного изобретения обеспечит увеличение ресурса турбодетандерной энергетической установки за счет повышения надежности работы опорного подшипника турбодетандерной установки, достигаемого путем уменьшения величины передаваемого на него осевого усилия, с одновременным улучшением условий смазки опорного подшипника.
Непрерывность работы установки, обеспечиваемая наличием закладной смазки и возможностью ее замены/пополнения без останова турбодетандера, также работает на решение поставленной задачи, т.к. устраняет работу на переходных режимах, уменьшает пиковые вибрационные нагрузки на подшипники ротора.