Контактная газотурбинная установка изменяемого термодинамического цикла

Современные газовые турбины имеют КПД около 35 – 38 %. Фактически – это предел для газовых турбин простого типа, так как дальнейшее увеличение к.п.д. требует решения, по меньшей мере, двух сложных взаимосвязанных технических задач: по повышению температуры перед турбиной более 1400 °С и одновременном сохранении длительного срока службы газовой турбины при работе в трассовых условиях МГ.

Использование технологии впрыскивания пара дает возможность значительно повысить КПД той же турбины за счет изменения параметров рабочего тела.

Данная технология предложена энергетиками, но она как нельзя лучше подходит для трассовых условий работы ГТУ на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Имея оперативную систему регулирования данная установка может эффективно работать в условиях переменных и резкоменяющихся нагрузок. Она является технологичной.

На рис. 6.7 представлена улучшенная схема КГПТУ с регенерацией тепла уходящих газов, впрыском воды на вход в компрессор и конденсацией парогазового потока в контактном конденсаторе.

Рисунок 5.7 – Принципиальная тепловая схема КГПТУ с регенерацией тепла уходящих газов, впрыском воды на вход в компрессор и конденсацией парогазового потока в контактном конденсаторе:

1 – ГТД; 2 - регенератор; 3 – электрогенератор (или нагнетатель); 4 – система отвода тепла; 5 – контактный конденсатор; 6 – система впрыска воды; 7 – система обвода регенератора; 8 – емкость – накопитель конденсата.

Воздух поступает в компрессор газотурбинного двигателя 1. Также на вход компрессора, через систему впрыска 6, подается вода, распыленная до мелкодисперсного состояния. Диспергированная вода, перемещаясь в проточной части компрессора, испаряется. Так как тепло фазового перехода отбирается от потока воздуха, то температура воздуха при этом снижается, а затраты мощности на компримирование уменьшаются. Далее паровоздушная смесь поступает в регенератор 2, подогревается уходящим газом и поступает в камеру сгорания. В процессе горения образуется газ с высокопотенциальной энергией, которая в турбинах ГТД преобразуется в механическую работу, обеспечивающую привод компрессоров и электрогенератора (или нагнетателя) 3.

Отработавший газ из турбин поступает в регенератор и, отдав часть тепловой энергии паровоздушному потоку, следует в конденсатор 5. В конденсаторе газ охлаждается встречным потоком распыленной воды. Температура потока газа снижается, и из него выделяется конденсат, который смешивается с охлаждающей водой и направляется в накопитель конденсата 8, откуда часть воды возвращается в цикл, а часть – в систему отвода тепла из термодинамического цикла 4, где она охлаждается и поступает затем в распыляющее устройство контактного конденсатора.

Отличительная особенность и преимущество данной установки в том, что она работает без парогенератора. Генерация пара совмещена с процессом сжатия воздуха в компрессоре, а тепло уходящего газа возвращается в термодинамический цикл за счет регенеративного подогрева воздуха, поступающего в компрессор.

Количество впрыскиваемой воды дозируется с помощью регулирующего устройства в системе впрыска воды 6. Подача воздуха в регенератор 2 регулируется с помощью системы обвода регенератора 7.

Такое регулирование позволяет оперативно изменять параметры термодинамического цикла. Как показали результаты выполненного параметрического анализа, максимальные значения мощности и КПД термодинамического цикла обеспечиваются при работе установки с впрыском воды на вход в компрессор ГТД и включенным регенератором.

При впрыске воды на вход компрессора в объеме 10 % от расхода воздуха установка по топливной экономичности приближается к КГПТУ "Водолей". С уменьшением количества впрыскиваемой воды температура на входе в регенератор повышается, и тепла в термодинамический цикл возвращается меньше. С прекращением подачи воды ГТД будет работать в простом термодинамическом цикле.

Следует отметить, что в установке могут использоваться ГТД, дополненные системой регенеративного подогрева воздуха. За счет увеличения степени повышения давления в компрессоре высокая экономичность достигается при работе установки и без регенератора.

Расчетные параметры КГПТУ и ГТУ простой схемы представлены в табл. 6.3. Реальная возможность осуществления данного проекта подтверждена экспериментальными работами на натурных стендах, в процессе которых выполнена оценка возможностей и особенностей работы ГТД с впрыском воды на вход компрессора.

Таблица 6.3 – Сравнение параметров КГПТУ изменяемого термодинамического цикла и ГТУ

Основные параметры	КГПТУ	ГТУ	Относит. увелич. параметра
Мощность на клеммах электрогенератора, кВт	19031,1	11452,5	1,662
Степень повышения давления	20,63
Температура цикла, К
Температура газа за турбиной, К			1,015
Действительный расход воздуха на входе в КГПТУ, кг/с	37,5
Относительный расход воды, впрыснутой на вход в ГТД, %		-
Весовой расход топлива, кг/ч	2847,3	2254,8	1,263
КПД, %	48,0	36,5	1,315

2.6.3.4. Опыт эксплуатации энергосберегающей комбинированной установки с регенерацией воды в цикле на КС магистрального газопровода (КГПТУ – 16К с РВЦ)

Большой интерес представляет опыт эксплуатации энергосберегающей комбинированной установки с регенерацией воды в цикле на КС магистрального газопровода (КГПТУ – 16К с РВЦ). Это установка типа "Водолей".

В настоящее время на территории Украины находятся в промышленной эксплуатации 2 комбинированные газопаротурбинные установки с впрыском пара в камеру сгорания и регенерацией воды в цикле КГПТУ - 16К с РВЦ и КГПТУ - 25Э с РВЦ:

КГПТУ - 25Э – мощностью 25 МВт для привода генератора;

КГПТУ – 16К – мощностью 16 МВт для привода газового центробежного компрессора (нагнетателя).

Данные установки хорошо изучены и экспериментально исследованы. Подтверждены их высокая эффективность и низкие выбросы вредных веществ. Намечены пути решения дальнейшего совершенствования различных вариантов КГПТУ с РВЦ.

В отличие от парогазовой установки, КГПТУ не имеет паровой турбины и потому значительно проще. Мощность, получаемая в КГПТУ, передается только на вал силовой турбины.

В состав силовой установки входят:

- трехвальный газопаротурбиный двигатель;

- утилизационный паровой котел (с горизонтально расположенными стальными трубами с наружным ленточным оребрением);

- противоточный контактный конденсатор (с водяным орошением сетчатых каналов и инерционным жалюзным водоотделителем);

- питательные и циркуляционные насосы;

- вспомогательные системы;

- система автоматического управления.

Отличительной особенностью КГПТУ с РВЦ от установок, выполненных по широко распространенной в энергетике схеме STIG, является то, что пар, подающийся в камеру сгорания от утилизационного котла и образующийся в процессе сжигания топливного газа, конденсируется в контактном конденсаторе и возвращается в цикл.

Т.о., комбинированный парогазовый цикл осуществляется с регенерецией воды в цикле, с подачей в камеру сгорания водяного пара, который генерируется котлом в процессе утилизации тепла отработанных газов.

К.п.д. установки повышается за счет утилизации тепла выхлопных газов на 25 – 30 %.

За счет впрыскивания пара в камеру сгорания мощность установки увеличивается на 56 – 60 %, а выбросы NO_x в атмосферу снижаются в 3 – 4 раза.

Положительным является то, что вода регенерируется в цикле с избытком при температурах ниже 30 °С, и работа КГПТУ практически не зависит от внешних источников водоснабжения.

С учетом требований экологической безопасности и как силовые, установки типа КГПТУ для выработки электроэнергии и механического привода не имеют себе равных. По сравнению с обычными ПГУ, газопаротурбинные установки смешения проще в эксплуатации, имеют хорошие экологические характеристики, высокую эффективность и могут применяться как для выработки электроэнергии, так и для механического привода нагнетателей (на компрессорных станциях МГ).

Срок окупаемости установки 3…4 года при годовой наработке 7000 тыс. часов. Данные установки успешно эксплуатируются.

Установка КГПТУ – 25Э с 1995 г. успешно работает и на 01.01.04 наработала более 10 тыс. часов на заводском стенде ГП НПК ГТС "Заря – Машпроект".

Установка КГПТУ–16К, выполненная по проекту ОАО "ИПП ВНИПИТРАНСГАЗ", эксплуатируется на КС Ставищенская УМГ "Черкассытрансгаз" с ноября 2003 г. Газоперекачивающий агрегат ГПА – 16К "Водолей" оборудован приводом от комбинированной газопаротурбинной установки с регенерацией воды в цикле КГПТУ – 16. На 01.05.04 установка наработала более 110 ч.

Дальнейшие наблюдения за работой установки показали, что КГПТУ – 16К с РВЦ имеет фактический КПД 42,1 %. Водяной пар, с расходом 15,67 т/ч, получают в котле – утилизаторе при давлении 1,837 МПа и температуре 332 °С. В соответствии с принятой технологией бóльшая часть пара впрыскивается в камеру сгорания и меньшая часть - в поток сжатого воздуха после осевого компрессора ГТД. В контактном конденсаторе, установленном за котлом-утилизатором, глубоко охлаждается поток продуктов сгорания из ГТД. В нём конденсируются водяные пары с образованием требуемого расхода конденсата.

Впрыск пара дает увеличение КПД газоперекачивающего агрегата на 8%, снижение в выхлопных газах концентрации вредных оксидов NО_х с нормативного значения 75 мг/нм³ до 66,13 мг/нм³, концентрации вредного оксида углерода с нормативного значения 220 мг/нм³ до значения 10,06 мг/нм³.

Дочерней компанией "Укртрансгаз" планирует до 2015 года ввести в эксплуатацию на КС ещё 10 установок типа "Водолей".

В разработке установке КТПТУ – 16К "Водолей" приняли участие 8 предприятий: ГП НКП ГТС "Заря-Машпроект" (г. Николаев), ОАО "Турбогаз" (г. Харьков), НТУ "КПИ" (г. Киев), ОАО "СМНО им Фрунзе" (г. Сумы), ООО "Эликон", ОАО "ИПП ВНИПИТРАНСГАЗ", ДК "Укртрансгаз" (г. Киев) и УМГ "Черкассытрансгаз".

Технические характеристики газопаротурбинных установок с регенерацией воды в цикле представлены в табл. 6.4.

Таблица 6.4 - Технические характеристики установок КГПТУ – 16К и

КГПТУ – 25Э

	КГПТУ – 16 К	КГПТУ – 25 Э
Номинальная мощность, МВт
КПД по условиям ISO 2314, %	45,3
Температура газа, °С:
перед ТВД
на срезе выхлопной трубы
Расход выхлопных газов, кг/с	44,8	73,7
Котел – утилизатор:
производительность пара, т/ч
температура перегретого пара, °С
давление пара на выходе, МПа	2,2	2,2
Содержимое NOх на выхлопе, кг/м^3

Установки КГПТУ могут совершенствоваться в следующих направлениях:

1. Охлаждение деталей проточной части газовой турбины отбираемым цикловым воздухом (с увеличением КПД до 16 %).

2. Замена воздушного охлаждения газовой турбины паровым позволит увеличить КПД на 6-8 %.

3. Использование отработанных выпускных газов после котла – утилизатора для подогрева топливного газа даст увеличение КПД на 0,6-0,8 %. За счет использования тепла выпускных газов на подогрев топливного газа снизится расход электроэнергии на подачу и охлаждение воды в конденсатор.

4. Впрыскивание воды на входе осевого компрессора в количестве 3 - 4 % массы циклового воздуха повысит КПД на 3-4 %. И т.д.

В целом, за счет совершенствования устройства КГПТУ с РВЦ можно повысить КПД установки до 50-52% по условиям ISO 2314 и сделать их удобными и экономически выгодными для применения в условиях КС МГ.

Дата добавления: 2015-07-14