Силовой привод на базе авиационной газотурбинной установки (АГТУ)
POWER DRIVE BASED ON OF AIRCRAFT GAS TURBINE PLANT (AGTP)

Областью применения предлагаемых устройств могут быть газоперекачивающие станции (ГПС) магистральных трубопроводов, включающие в себя газоперекачивающие агрегаты (ГПА) и городские электростанции.
Известны ГПА в составе ГПС, состоящие из газотурбинных установок (ГТУ) и газовых (магистральных) компрессоров природного газа (КПГ). Также ГПС содержат системы подвода воздуха, выхлопа горячего газа, а также включают в себя работающие и запасные силовые блоки (ГПА - газоперекачивающие агрегаты). Сами ГТУ имеют, в большинстве случаев, кпд порядка 27-33%. Несмотря на то, что одним из главных требований для приводов такого рода является унификация, надежность и высокий ресурс, столь ограниченные кпд явно отстают от достигнутого современного уровня стационарных ГТУ. Последнее связано с относительно невысокими температурами в камере сгорания ГТУ (1000-1200 К), что в основном и определяет все остальные слабые параметры цикла. Пять одноэтажных корпусов и соответственно пять отдельных систем подвода воздуха, выхлопа горячего газа, из них целых два для установки запасных (профилактического и аварийного) силовых блоков (ГПА), приходящих на одну магистральную трубу, делают ГПС громоздкими и дорогими, не использующими опыт стационарной двух ярусной стационарной турбокомпрессорной техники. При этом не решается главная проблема удешевления газоперекачки - существенное повышение расхода одной магистральной трубы, требующая приводов на базе новых (отсутствующих в настоящее время) более крупных авиационных двигателей. Из-за жесткой сцепки турбокомпрессорных агрегатов накладываются ограничения на максимальную мощность КПГ, затрудняется их обслуживание и теряется оптимизация кпд по оборотам каждого из упомянутых турбоагрегатов. Кроме того, подобную структуру ГПС затруднительно использовать для крупных электростанций.
Известны различные котлы-утилизаторы (КУ) тепла выхлопных газов за ГТУ, включая и для производства электричества. Также известны котлы-утилизаторы с дополнительным подогревом выхлопных газов за ГТУ с целью повышения мощности КУ [Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Изд-во МЭИ. 2002. 584 с.].
Близким техническим решением к заявляемому по технической сущности является газоперекачивающая станция (ГПС), которая описана в http://engine.aviaport.ru/issues/21/page08.html. «Перспективный газотурбинный привод для ГПА компрессорных станций», включающий газотурбинные установки, соединенные по валу с газовыми компрессорами и соединенные по выхлопу горячего газа с котлами-утилизаторами, включающие камеры дожигания и паровые турбины, паровые турбины приводят электрогенератор.
Недостатком такого решения является то, что в большинстве случаев ГПС находятся вдали (сотни, иногда тысячи километров) от магистральных высоковольтных линий передач (тайга, пустынные малозаселенные районы и т.п.). Как правило, полученная энергия может быть использована только на собственные нужды, а получается, что ресурсы энергосбережения существенно превосходят ресурсы возможного собственного энергопотребления. В результате большие потери расхода топлива, идущего на перекачку в ГПА, существенно ведут к большим энергозатратам, а значит, к снижению эффективности газоперекачивающей станции.
Силовой привод, принятый за прототип предлагаемого устройства (патент №2467189, МПК F02C 6/18, опубл. 20.11.2012, бюл. №32), включает ряд блоков, каждый из которых содержит работающий и резервный газоперекачивающие агрегаты. Газоперекачивающие агрегаты содержат газотурбинные установки, связанные каждая по валу со своим газовым компрессором, а по выхлопам горячего газа соединенные магистралью с котлом-утилизатором, включающим камеру дожигания и паровую турбину. В каждый блок введен третий газовый компрессор, при этом паровая турбина котла-утилизатора каждого блока соединена по валу с каждым третьим газовым компрессором. Изобретение направлено на повышение эффективности газоперекачивающих станций и может быть использовано для получения дополнительной прибыли от продажи газа.
Однако известное оборудование ГПС усложняется из-за того, что для парового цикла при соотношении мощностей авиационного ГТУ и паровой турбины 1:1 потребуется установка камер дожигания, высокие степенями расширения паровой турбины, а для функционирования одной магистральной трубы еще и по сравнению с известными тремя авиационными АГТУ на одну магистральную трубу форсированием в 1,5 раза их мощностей. В данном случае добавление топлива в паровой цикл проведено без оптимизации всего оборудования и КПД паровых циклов. Одновременное функционирование двух авиационных АГТУ при ремонте котла снизит высокий процент КПД до 27% в течении почти трети времени эксплуатации оборудования. Отсутствует включение в схему установки резервного аварийного оборудования ГПС. Высокий коэффициент простоя авиационного оборудования обуславливается тем, что в запасе находится столько ГТУ сколько их работает.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является полное объединение оборудования для получения электрической энергии и обеспечения прокачки природного газа по системе магистральных трубопроводов, более эффективные силовые привода больших мощностей как для повышения производства электрической энергии на электростанциях или пропускной способности всей газовой магистральной трубопроводной системы, так и существенной экономии затрат производимой электрической энергии и количества транспортируемого природного газа при сохранении унификации оборудования, снижения его стоимости и сроков ввода в эксплуатацию.
Технический результат, на достижение которого направлены предлагаемые структуры устройств, заключается в предлагаемой схеме рассредоточения применяемого оборудования в пределах многоярусных цеховых структурах, содержащих укрупненные входные и центральные выходные устройства, снижении удельного веса резервного оборудования и максимальное приспособления известных образцов авиационной техники для функционирования в составе привод.
Технический результат достигается тем, что в силовом приводе на базе авиационной газотурбинной установки, содержащем, по меньшей мере, три, авиационных двухконтурных двигателей, входных воздушных и выходных газовых устройств, соответствующих количеству объектов установленной нагрузки (например, числа магистральных труб), турбину каскада низкого давления каждого двигателя полного расширения газа по последнему сечению выхода из выхлопной трубы, резервные двигатели и паровые турбины, соединенные через редукторы или свободные турбины с валами объектов нагрузок, новым является то, что каскады низкого давления АГТУ, соединены валами на обе стороны в виде многоугольника с нечетным количеством сторон, которое на одну больше вдвое большего числа объектов установленной нагрузки, в вершинах которого расположены конические редукторы, которые на внешние стороны связаны с валами объектов нагрузки, а на внутреннюю сторону к одному из конических редукторов присоединен резервный АГТУ, выходы газа всех АГТУ объединены, а выходное устройство расположено в центре, соединительные валы спереди АГТУ снабжены карданными соединениями, спереди и сзади муфтами отключения/включения агрегатов на номинальных оборотах АГТУ, причем некоторые турбоагрегаты могут быть снабжены передвижными стартерами.
Оборудование силового привода расположено не более чем на трех ярусах, на первом ярусе расположена трубопроводная система и теплообменники, на последнем ярусе после входных устройств по воздушной линии, установлены двухконтурные двигатели АГТУв, по одному на каждые два АГТУ многоугольника предпоследнего яруса плюс два резервных, снабженные спереди дополнительными вентиляторами, во входном воздушном канале выхода из дополнительного вентилятора и входа двухконтурных двигателей АГТУв последнего яруса расположены редукторы двойного соединения которые связаны сверху с валами осевых вентиляторов, а снизу валами больших конических шестерен конических редукторов многоугольника предпоследнего яруса, выходы воздушных потоков вентиляторных контуров АГТУв через торообразный рессивер связаны со входами в АГТУ многоугольника предпоследнего яруса, АГТУ содержит корпус и все агрегаты внутреннего контура АГТУ в, воздушное входное отверстие корпуса соединено со входом внутреннего контура конфузорным каналом.
На внутреннюю сторону к коническим редукторам присоединены валы паровых турбин (ПГ), общим количеством - по одной на каждый объект установленной нагрузки плюс два резервных, паровые турбины связанны по парогазовым линиям со своими расположенными в центре многоугольника верхними и нижними блоками теплообменников, баками, насосами и другими известными устройствами парового цикла на вторичном тепле от линий выхлопа газогенераторных контуров двухконтурных двигателей верхнего и нижнего ярусов, которые связаны перекидными заслонками со входной камерой блоков теплообменников и с нижним отверстием центрального вертикального атмосферного канала выходного устройства, выходы вентиляторных контуров снабжены заслонками, а через перекидные заслонки дополнительно связаны с нижним отверстием центрального вертикального атмосферного канала выходного устройства.
На входе каждого АГТУ установлен теплообменник на атмосферном теплоносителе.
Схема предлагаемого силового привода на базе АГТУ приведена на фигурах.
На фиг. 1 представлен машинный зал второго яруса с центробежными компрессорами и с основной частью их приводов.
На фиг. 2 представлен машинный зал третьего яруса с частью приводов центробежных компрессоров второго яруса.
На фиг. 3 представлена система выхлопа с теплообменниками вторичного тепла всех приводов центробежных компрессоров.
На фиг. 4 представлена схема трубопроводов природного газа, взаимодействующих с центробежными компрессорами и магистральными газопроводами.
На фиг. 5 представлены приводы второго и третьего яруса для привода каждого одного или двух центробежных компрессоров.
Установка расположена на трех ярусах цеха 1,2.3. В варианте городской электростанции на среднем ярусе 2 рассредоточены по сторонам многоугольника 4 одинаковые двухвальные АГТУ 5, последние каскады турбин 6 которых дополнительно связаны валами 6, 7 друг с другом, в углах многоугольника расположены одинаковые конические редуктора 8. Две одинаковые большие конические шестерни 9 каждого редуктора взаимодействуют каждая со своей шестерней валов от турбин 10 последнего каскада АГТУ, на внешнюю сторону с шестерней вала нагрузки 11 (электрогенераторами) и на внутреннюю сторону с валами шестернями 12 паровых турбин 13 или резервным (аварийным) АГТУ 14. На входе каждого АГТУ установлены вертикальные воздуховоды 15, связанные с установленным на потолке торообразным газосборником 16, а выхлопные трубы АГТУ связаны через перекидные заслонки 17 объединительную камеру 18, снабженную шторками сверху 19, с одинаковыми унифицированными теплообменными блоками паровых контуров ТБПК 20 и центральным каналом 21, образованным плотным контактом их внутренних стенок. Последнее обстоятельство сохранится при любом другом числе ТБПК (числе, равном без одной числу сторон многоугольника, деленных на два с прибавлением к нему единицы или двойки резервных). ТБПК 20 объединены в центральную выхлопную систему 22. В нижней части каждого ТБПК расположен бак конденсата 23, соединенный гидравлическими трубами через насос 24 с атмосферными охладителями конденсата и через второй насос повышенного давления 25 со входом в нижний основной теплообменник парового контура. Один ТБПК на каждый объект установленной нагрузки (например, эквивалент мощности компрессоров природного газа на одну магистральную трубу ГПС). На верхнем ярусе 3 могут быть рассредоточены одинаковые унифицированными ТБПК 26 третьего яруса и АГТУв 27 (полноразмерный двухконтурный двигатель с турбиной полного расширения до атмосферы, один на два АГТУ 14 яруса 2 или на одну магистральную трубу), на входе в которые через дополнительные вентиляторы 28 установлены входные фильтрующие устройства 29. Выходные трубы вентиляторного контура (АГТУв) 30 содержат регулирующие заслонки 31 включения (выключения) данных устройств в работу на торообразный газосборник 16 или на выхлопные трубы 32. Выхлопы горячих газов АГТУв связаны через перекидные заслонки 33 с ТБПК 26 и центральным каналом 34. АГТУ 14 является копией АГТУв 27 со снятым вентилятором и конфузорным входом.
Схема предлагаемого силового привода на базе АГТУ в варианте ПГС расположена на трех ярусах 1,2.3. На первом ярусе 1 расположены трубы взаимодействия КПГ ГПС с байпасными и промежуточными трубами, приходящим и отходящим от ГПС и магистральных трубопроводов 35. Концевые теплобменники КПГ (не показаны на фиг.) могут находиться вне компрессорного цеха. На втором и третьем ярусах располагается вышеупомянутое оборудование, которое может не содержать агрегаты парового контура. На фиг. 4 приведен вид сбоку на устройства 1,2,3 яруса. На фиг. 5 приведена упрощенная структура АГТУ 14 и АГТУв 27. Последний состоит из вентилятора 36, работающего на два контура 37, компрессора высокого давления (КВД) 38, камеры сгорания 39, турбины высокого давления (ТВД) 40 и последнего каскада (турбины полного расширения 6). Соответственно АГТУ 14 включает в себя вышеупомянутые агрегаты, кроме вентилятора 36 двигателя АГТУв. Вал вентилятора АГТУв 41 спереди через редуктор 42 связан (фиг. 4) с вертикальным валом дополнительного вентилятора 28 и большой шестерни конического редуктора 10. На входе в двигатели АГТУ 14 установлены конфузоры 43.
Предлагаемая ГПС работает следующим образом. Атмосферный воздух проходит входное фильтрующее устройство 29 и после повышения давления в дополнительном вентиляторе 27 попадает на вход АГТУв 27. Внутри последнего воздушный поток раздваивается: одна треть расхода воздуха поступает во внутренний контур каждого АГТУв, которая после совершения работы выхлапывается из него и в конце пути попадает в верхний смесительный отсек и верхний паровой контур ТБПКв 26, другие две части поджатых в вентиляторе двигателя АГТУв подаются через торообразный газосборник 16 и после смешения в нем с аналогичными потоками других АГТУв 27 попадают через вертикальные каналы в два АГТУ 14 второго яруса, в каждом из которых на последних каскадах их турбин 6 (аналогичных последним каскадам турбин АГТУв 27) совершаются работы, которые через конические редуктора передаются валам нагрузки 11 (генераторов электроэнергии или КПГ). Выхлопные газы АГТУ подаются через нижний смесительныйй отсек в нижний ТБПК 20. Далее внизу, как и наверху, в зависимости от положения шторок 19 газовой поток двигаясь на верх в одном из теплообменников ТБНК 20 после передачи тепла паровому агенту охлаждается почти до температуры окружающей среды и выбрасываются в атмосферу. Время работы одного цикла ожидания профилактических работ, например АГТУ 14 второго яруса оборудования, делится на число постоянно работающих АГТУ плюс один, которые будут останавливаются друг за другом для проведения профилактических работ. После завершения данной операции АГТУ не включается в работу сразу, а выжидает момента выключения следующего АГТУ 14. Рессурс всех АГТУ получается одинаковым при обеспечении непрерывного длительного функционирования. ГПС функционирует при изменении общего расхода природного газа (устанавливается соответствующие положения дроссельных заслонок АГТУ) и изменении числа параллельно работающих магистральных трубопроводов. При остановке на профилактику и мелкий ремонт одного АГТУ 14 мощность на объект нагрузки (генератор или КПГ) подается через конические редуктора 8 с другой стороны. При изменении числа параллельно работающих магистральных трубопроводов некоторая пара АГТУ закроет подачу топлива, останавливая свои каскады высокого давления, но передача мощности от других АГТУ через их каскады низкого давления может осуществляться несмотря на некоторые потери энергии. Шлицевые муфты позволят останавливать (включать при равенстве оборотов) любой объект на режиме минимальной мощности при продолжении эффективной работы всего многоугольника (установки). Перекидные заслонки 17,31,33 позволят известным способами АГТУ 14и АГТУв 27 запускаться на режимах малого газа и постепенно выходить на рабочие режимы. Шлицевые муфты позволят останавливать (включать при равенстве оборотов) любой объект многоугольника при продолжении эффективной работы всей установки.
Высота лопаток осевого вентилятора 36 АГТУв может корректироваться (подрезаться по линии тока) для выдерживания приведенного расхода перед внутренними контурами соответствующих двигателей более нижнего яруса по параметрам давления за вентилятором и соответствующей этому давлению температуре. При этом все внутренние одинаковые контуры трех рвссматриваемых выше двигателей двигателей будут работать одинаково и в одинаковых условиях. Мощность передаваемая КПГ равняется утроенной мощности каждого двигателя. Одинаковое форсирование мощностей данных двигателей может обеспечено установленным на валу каскада низкого давления АГТУв дополнительного вентилятора 28, который может быть настроен исходя из величины обеспечиваемого им давления по параметрам постоянства приведенного расхода двигателя АГТУв аналогично описанному выше. По мере выполнения доводочных работ повышения температуры на выходе из камеры сгорания двигателей и совершенствования горячих низкооборотных турбин каскада высокого давления первых поколений авиационных двигателей выбранный исходный дополнительный вентилятор 28 (после соответствующей коррекции высоты лопаток) может далее подкручиваться по оборотам для увеличения степени повышения давления. Степень повышения давления компрессора АГТУв (АГТУ) с учетом дополнительного вентилятора может быть больше самого последнего поколения ТРДД из-за того, что она более просто получена в составном компрессоре из трех составляющих малой и средней величины степени повышения давления, а термодинамический КПД больше 45%. То-есть с учетом увеличенного расхода каждый двигатель на 16 мвт может выдавать более 40 мвт мощности и экономить много топлива. Кроме того, дополнительный вентилятор может использоваться для регулировки выходной мощности в интервалах меньших мощности объекта постоянной нагрузки.
Таким образом, предлагаемые ГПС в варианте без усложнения оборудования пароводяным контуром - составные компрессоры, тихоходные, более массивные и поэтому ресурсные АГТУ на базе известных первых поколений АД с большими расходами внутренних контуров и малой степенью двухконтурности (m=2, мощностью приводов порядка 16 мвт) позволяют дополнительно без форсирования оборотов поднять расход и важные параметры цикла - давление и температура на выходе из камер сгорания. При соответствующей доработке некоторых агрегатов (рабочих колес первого рабочего колеса турбины и др.), может повысится более, чем в два раза мощность силового привода, а его КПД - выше уровня последних поколений ТРДД. Предлагаемая силовая установка в варианте газоперекачивающей станции позволит существенно повысить расходы КПГ и экономить количество доставляемого природного газа при минимальном количестве всех турбоагрегатов одной станции. При этом будет обеспечена унификация АГТУ, вентиляторов, КПГ, шестерней и подшипников редукторов для любых кратного количества объектов установленной нагрузке (числа магистральных трубопроводов). Сокращение относительного числа резервных АГТУ и КПГ (и укрупнение последних), как и удобство эксплуатации по сравнению с известными ГПС достигается независимыми друг от друга функционированием АГТУ второго яруса от третьего, от КПГ и ПГ с остановками последних и АГТУ по отдельности для проведения профилактического осмотра (ремонта). Реализуется возможность укрупнения КПГ и объединения всех дорогих громоздких устройств - выходных газа и входных воздушных. В отличие от прототипа и аналогов силовая установка работает в условиях, когда свободные мощности верхних АГТУв, ПГ и паровых турбин (для больших городских электростанций) не одинаковы с свободными мощностями АГТУ второго яруса, так как валы последних взаимосвязаны через конические редуктора.
Например, в случае роста производительности природного газа в два раза производство и доставку сжиженного природного газа придется увеличить в два раза - завод сжиженного газа и количество танкеров для перевозки. Вариант с ГПС потребует увеличения затрат только на оборудование ГПС, при этом основные затраты неизменной магистральной трубопроводной системы останутся постоянны. Конкурентная способность газовых магистралей повысится.
В варианте электростанции с пароводяным контуром и городскими теплосетями предлагаемая силовая установка самодостаточна и может обойтись без высоковольтных столбов подачи энергии, а при остановке на ремонт не потребует участия в подаче электроэнергии соседних станций. Способ наращивания количества производимой энергии на предлагаемом унифицированном оборудовании освободит от использования параметрических рядов сложного оборудования и позволит получать любое максимальное значение числа мвт силового привода более простым способом с помощью одного типа авиационного двигателя.
Предлагаемая схема рассредоточения форсированных по мощности предлагаемым способом унифицированных турбоагрегатов и иных устройств на нескольких ярусах высокоэффективна и самодостаточна (для непрерывной длительной работы), при этом позволит объединить оборудование для решений разных целей и наращивать мощности более простыми способами, особенно в сравнении с использованием параметрических рядов сложных приводов на электростанциях.