Влияние температуры наружного воздуха на располагаемую мощность газотурбинных агрегатов

УДК 622.691.4.052

Влияние температуры наружного воздуха на располагаемую мощность газотурбинных агрегатов

Э. А. Микаэлян,

РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, кандидат технических наук, доцент

Рассматриваются способы определения располагаемой мощности газотурбинных установок в зависимости от температуры наружного воздуха для надёжной работы центробежного компрессора и обеспечения заданного режима работы. Полученные результаты позволят уточнить некоторые положения регламента по определению располагаемой мощности газотурбинных газоперекачивающих агрегатов.

Ключевые слова: располагаемая мощность, газотурбинный агрегат, центробежный компрессор, надёжность.

Газотурбинные агрегаты имеют большое распространение в энергетике и в нефтегазовом комплексе. На газо- и нефтепромыслах, на нефтеперерабатывающих предприятиях, на теплоэлектростанциях и теплоэлектроцентралях газотурбинные установки зачастую используют для привода электрогенераторов. Применение газотурбинных ТЭС и ТЭЦ экономически особенно оправдано в районах, примыкающих к выработанным, истощённым месторождениям нефти и газа, а также к действующим промыслам, где можно использовать затрубный газ, т. е. газ с невысоким давлением, вполне пригодным для работы теплопарогенераторов. Таким образом, в основе промысловой энергетики лежат газотурбинные технологии.

Реализуемые газотурбинные технологии подразделяются на следующие типы:

- когенерационные газотурбинные электростанции;

- газотурбинные надстройки паросиловых электростанций;

- парогазовые установки;

- газотурбинные электростанции простого цикла на газовых месторождениях в крупных узловых газотранспортных системах и объектах.

Таким образом, газотурбинные технологии в энергетике развиваются на базе газотурбинных энергетических агрегатов, а в нефтегазовом комплексе - на базе газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Одной из важнейших особенностей газотурбинных агрегатов является влияние температуры окружающего воздуха на характеристики агрегата, в особенности на эффективную мощность, снимаемую с муфты, -полезную нагрузку. Указанная особенность в значительной степени влияет на величину располагаемой мощности газотурбинного привода, что необходимо учитывать для выбора и контроля режима работы полезной нагрузки.

Рассмотрим указанное влияние на примере газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, что в равной мере будет относиться и к газотурбинным энергетическим агрегатам.

Вычисление располагаемой мощности агрегатов имеет большое значение при изучении режимов работы газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях газопроводов, позволяет определить дефицит рабочей мощности агрегатов в летнее время, величину её недоиспользования в зимнее время, коэффициент загрузки агрегатов и т. д. При вычислении коэффициента загрузки агрегата фактическую эффективную мощность агрегата относят к базовой эффективной мощности, при этом в качестве последней принимают различные величины: номинальную, паспортную, нормативную или располагаемую мощность. Паспортной мощности в условиях эксплуатации трудно достичь не только на агрегатах, эксплуатирующихся долгое время, но и зачастую на новых агрегатах. Поэтому для различных типов агрегатов, находящихся в эксплуатации, устанавливают отраслевой норматив мощности центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата ниже номинальной (в среднем на 15 %).

Для согласования номинальных расчётных параметров газотурбинной установки и центробежного компрессора необходимо прежде всего определить располагаемую мощность установки.

Учитывая высокую чувствительность газотурбинного привода к температуре наружного воздуха (Та), при которой каждому градусу изменения температуры воздуха на входе осевого компрессора установки соответствует изменение её эффективной мощности на 1 % и выше, была поставлена задача провести анализ различных способов определения располагаемой мощности газотурбинной установки в зависимости от Та, для обеспечения заданного, планируемого диспетчерской службой режима сжатия центробежного компрессора.

Известен ряд способов определения эффективной мощности газотурбинной установки в зависимости от температуры наружного воздуха. Для сравнительной оценки рассмотрим определение эффективной мощности привода газоперекачивающего агрегата в зависимости от Ta различными способами. Влияние других факторов на величину располагаемой мощно-

сти (использование различных утилизационных систем, систем противообледенения, техническое состояние агрегатов и т. д.) при этом не рассматривается.

Располагаемую мощность газотурбинной установки определяют по формуле [3]

где <

номинальная мощность;

К-

Кы -коэффициент технического состояния

установки (по мощности); К- коэффициент, учитывающий влияние

температуры атмосферного воздуха; Ку - коэффициент, учитывающий наличие утилизатора тепла; Кра - коэффициент, учитывающий влияние высоты над уровнем моря; - коэффициент влияния относительной скорости вращения ротора силовой турбины; обычно учитывается в составе коэффициента К№ т. е. принимается К- = 1;0; специальный учёт требуется при существенной разнице номинальных частот вращения газотурбинной установки и центробежного нагнетателя (более 10 %).

Учёт влияния температуры атмосферного воздуха производят в соответствии с технической документацией конкретного типоразмера газотурбинной установки. Рекомендуется следующая формула для определения коэффициента влияния:

где Та - расчётная температура атмосферного воздуха на входе газотурбинной установки, К; к - коэффициент, величины которого для некоторых типов установок приведены в [1] и [4]; для оценочных расчётов рекомендуется принимать к = 3,0.

В качестве примера выберем агрегат типа ГТК-10-4. Учитывается только влияние температуры наружного воздуха на входе в осевой компрессор газотурбинной установки, которая принимается равной Та = 45 °С для всех нижеприведенных расчётов. Влияние противообледенительных, а также утилизационных систем не учитывается.

1. Первый способ определения располагаемой мощности агрегата основан на уравнении Н. И. Белоконя [2].

2. Следующий способ основывается на применении формулы (18,51) СТО Газпром [3].

3. Далее определяем располагаемую мощность агрегата на основании формулы приведения (3.59) из [4].

4. Затем располагаемая мощность агрегата ГТК-10-4 определяется на основании методики с применением корректирующих коэффициентов для характеристик, изменяющихся относительно номинальных значений по паспортным данным газотурбинных

установок при изменении Та. Это в первую очередь относится к расходу сжатого воздуха, внутреннему относительному КПД компрессора и другим характеристикам, которые корректируются на основании метода малых отклонений [2].

5. Следующий способ определения располагаемой мощности основывается на применении диаграммы приведенных характеристик центробежного нагнетателя типа 235-21-1. Для определения рабочей точки на диаграмме в качестве исходных данных принимаются номинальные значения частоты вращения и степени сжатия по паспортным данным:

е0 = Р20/ Рю = 76,0 / 52,8 = 1,439;

пцно = 4800 мН-1.

Характеристики газа принимаются по условию приведения:

г = 0,888;

Я = 518 Дж/кг К;

плотность газа по условиям всасывания определяется в зависимости от абсолютных значений температур и давлений газа на входе в агрегат рн = 39,4 кг/м3.

При решении поставленной задачи принимается условие равенства частот вращения валов силовой турбины и центробежного нагнетателя:

™цнпр = (п / «°тнд)пр = (п / П°тнд)(Тао / Та)0,5 =

=(285,2/318,2)0,5 = 0,9517.

Далее по данным Б0 = 1,439; п'цнпр = 0,952 определяется рабочая точка на диаграмме, для которой счи-тываются следующие параметры:

дпр= 180 м3/мН;

= 0,82;

N / Рн)пр = 200 кВт/(кг/м3).

Далее рассчитываются объёмная ^) и коммерческая ^к) производительности:

Q = Q п / пн = 180 4800 / 4800 = 180 м3/мН;

Qк =1440 Q  рн/ (ро- 106) = = 1440  180  39,4 / (0,682  106) = 14,97 млн м3/сут.

Внутренняя относительная мощность центробежного нагнетателя

Ni = рн N / Рн)пр  (п / пн)3 = 39,4  200 = 7880 кВт.

Эффективная мощность определяется с учётом принятого значения мощности, идущей на механические потери:

= Ni + = 7880 + 150 = 8030 кВт.

6. Наконец рассчитывается располагаемая мощность газотурбинной установки в зависимости только от температуры наружного воздуха в станционных

№ 3 (57) 2014, май-июнь

redaktor@endf.ru

условиях (Та = 45 °С) на основе универсальной диаграммы режимов газотурбинных установок.

Приведённые относительные частоты вращения турбины высокого давления (ТВД) и турбины низкого давления (ТНД) определяются по следующей формуле:

ппр = П / П0 (Тао / Та)0'5; п'твд пр = (5300 / 5300) • (288,2 / 318,2)0,5; п'тнд пР= (4800 / 4800) • (288,2 / 318,2)0,5.

Далее определяется рабочая точка на диаграмме режимов ГТУ по численным значениям приведенных частот вращения ТВД и ТНД. Для этой точки считы-ваются значения относительной приведённой мощности и относительного приведённого КПД установки:

N\ Пр = 0,78; К= 0,926.

Затем по формулам приведения определяем значение эффективной мощности по формуле (3.60) из [4] и эффективного КПД:

N = Ne = N\ np Neo / [(Tao / T)0,5 (pa0 / pj] =

= 0,78 • 10000 • 0,9517 • 1= 7420 кВт.

Результаты вычислений эффективной мощности газотурбинной установки при изменении температуры наружного воздуха в станционных условиях различными способами представлены в таблице.

паспортным данным. Если принять при расчётах отраслевой норматив мощности [5], то результаты вычислений будут ниже. Это объясняется тем, что значение нормативной мощности на 15 % ниже значения номинальной мощности.

Анализ приведённых способов определения располагаемой мощности в зависимости только от температуры наружного воздуха показывает, что наибольшее отклонение полученных результатов достигает 20 % и выше. Способ определения эффективной мощности по формуле Н. И. Белоконя основан на аналитическом методе и может свидетельствовать о наиболее точном результате вычислений.

Наиболее близкие к этому методу получены результаты вычисления на основе методики с использованием корректирующих коэффициентов (пример 4), а также на основе диаграммы режимов (пример 6). Наибольшие отклонения располагаемой мощности установки от среднего значения получены по формуле (1) согласно [3] (-10,2 %) и по методике расчёта на основе приведённых характеристик центробежного нагнетателя (10,7 %).

Для окончательного решения вопроса по оценке точности полученных результатов по отдельным методикам требуется проведение специальных исследований, включающих соответствующие испытательные работы.

Актуальность темы требует разработки соответствующего регламента для определения располагаемой мощности газотурбинного газоперекачивающего агрегата и согласования номинальных, расчётных параметров газотурбинной установки и центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов,

Значения эффективной мощности газотурбинной установки (Не) в станционных условиях, вычисленные по различным методикам

Способ определения 1 2 3 4 5 6 Среднее значение Nem

Nei, кВт 7320 6510 6740 7500 8030 7420 7250

Относительное измение, % (N -N ) / N ei ei em 0,9 -10,2 -7,0 3,4 10,7 2,3 0

При проведении расчётов по определению располагаемой мощности по принятым условиям в основе всех методик было принято в качестве базовой мощности агрегата ГТК-10-4 номинальное значение по

что позволит решить один из вопросов обеспечения надёжности диспетчерских программ на компрессорных станциях при определении режимов работы газоперекачивающих агрегатов.

Литература

1. Белоконь Н. И. Термодинамические процессы газотурбинных двигателей. - М.: Недра, 1969. - 128 с.

2. Микаэлян Э. А. Эксплуатация газотурбинных газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций газопроводов. - М.: Недра, 1994. - 304 с.

3. СТО Газпром 2-3.5-051-2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов.

4. Микаэлян Э. А. Техническое обслуживание энерготехнологического оборудования, газотурбинных газоперекачивающих агрегатов системы сбора и транспорта газа. Методология, исследования, анализ и практика. - М.: Топливо и энергетика, 2000. - 304 с.

5. Галиуллин З. Т. Перспективы развития магистрального транспорта газа / / Газовая промышленность. - 1998. - № 8. - С. 56-58.

Environmental air temperature influence on available power of gas-turbine machines

E. ^ Мikaelyan,

Gubkin Russian State University of Oil and Gas, Ph.D., associate professor

The author considers different ways to determine available power of gas-turbine machines depending on environmental air temperature due to reliability of centrifugal compressor and operational mode. The results allow us to make statements of regulation on available power of gas-turbine gas pumping installations more exact.

Keywords: available power, gas-turbine machine, centrifugal compressor, reliability.

№ 3 (57) 2014, Man-mom

redaktor@endf.ru