Газотурбинная установка

 

Использование: в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Сущность изобретения: газотурбинная установка содержит основной и дополнительный аккумуляторы сжатого воздуха (ОА и ДА). ДА установлен перед последней ступенью многоступенчатого компрессора (К), на выходе из К ОА соединен с камерами сгорания силовых турбин и привода. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области газотурбинного привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.

Известна газотурбинная установка (ГТУ) для привода газоперекачивающих агрегатов, установленная в компрессорном цехе КС магистрального газопровода, содержащая механически сообщенные между собой центробежный нагнетатель газа (ЦБН), осевой компрессор (ОК) и пусковое устройство (ПУ) [1] .

Основными недостатками такой установки являются ее размеры (длина 15-20 м, ширина 5-6 м, высота 4-5 м), а также большая громоздкость (масса ГТУ до 100-130 т и более), необходимость вследствие этого установки в машзалах тяжелого грузоподъемного оборудования для разборки ГТУ при их ремонте, неизбежная одновременная разгерметизация как осевого компрессора, так и самой газовой турбины при снятии общей для них верхней половины корпуса в случае необходимости ремонта только одного из этих двух агрегатов. Крайне негативно сказываются на эксплуатационном персонале высокий уровень шума из-за локального для каждого агрегата воздухозабора, а также тепловыделений в машинных залах с подобными ГТУ.

Более совершенной является газотурбинная установка, в которой указанные, традиционно сообщенные между собой общим валом агрегаты ГТУ разделены на две автономно работающие системы - собственно газовую турбину с нагнетателем газа и воздушный компрессор с электроприводом, сообщенный воздуховодом через ресивер с камерой сгорания газовой турбины [2] .

Однако и этой установке присущи недостатки, заключающиеся в том, что монтаж всех агрегатов на одной площадке (в одном цехе) не обеспечивает надежной безопасности обслуживающего персонала, специализированного для эксплуатации столь различающихся по типу привода и назначению агрегатов, не исключает возможность ошибок при обслуживании этих агрегатов из-за необходимости применения специализированного инструмента и оборудования для того или иного агрегата в одном цехе.

Кроме того, использование в качестве привода воздушного компрессора электродвигателя усугубляет перечисленные недостатки, повышает громоздкость и размеры конструкции, увеличивает ее стоимость.

Цель изобретения - разработка такой газотурбинной установки для привода газоперекачивающих агрегатов на КС магистральных газопроводов, которая позволила бы исключить перечисленные выше недостатки.

Эта цель достигается тем, что газовая турбина с центробежным нагнетателем газа и воздушный компрессор (блок компримирования циклового воздуха) установлены в разных цехах, а в качестве привода воздушных компрессоров установлены турбины, аналогичные по своей конструкции силовым турбинам компрессорных цехов, которые обеспечиваются цикловым воздухом из единой для всей промплощадки КС системы воздуховодов.

Для снижения потребляемой на компримирование циклового воздуха мощности, которая в традиционной ГТУ составляет до 65-70% от мощности газовой турбины, в предлагаемой установке после каждой выделенной ступени воздушных компрессоров, кроме последней, предусмотрены установки для промежуточного охлаждения воздуха, а для сглаживания пульсаций при регулируемом отборе воздуха на произвольное число работающих ГТУ за последней ступенью компрессоров предусмотрен аккумулятор воздуха в виде раздаточного трубопровода-ресивера. Этот трубопровод-ресивер переразмерен таким образом, чтобы он создавал неснижаемый запас циклового воздуха, который обеспечивал бы устойчивую работу всех компрессорных цехов КС в течение времени, необходимого для устранения каких-либо непредвиденных сбоев в работе цеха воздушных компрессоров.

На фиг; 1 показана схема трехцеховой КС при традиционном исполнении ГТУ; на фиг. 2 - то же, при использовании ГТУ "ПРЮНК".

На фиг. 1 в качестве примера многониточного магистрального газопровода показан трехниточный газопровод 1, перекачка газа по которому осуществляется трехцеховой компрессорной станцией при закрытых в районе каждого цеха линейных кранах 2. В каждом из компрессорных цехов (КЦ) данной КС установлено по пять газотурбинных ГПА, из которых по принятой практике проектирования три являются рабочими, а два - резервными (габариты КЦ 2 и 3 показаны условно пунктиром).

Перекачивающие газ центробежные нагнетатели (ЦБН) 3 размещены в галерее нагнетателей 4, отделенной брандмауэрной стеной 5 от машинного зала 6. Каждая газотурбинная установка 7 для привода ЦБН в принятом для КС магистральных газопроводов исполнении совмещает в одном агрегате собственно газовую турбину (ГТ), камеру сгорания (КСГ), осевой компрессор (ОК) и пусковое устройство (ПУ). Забор воздуха каждой ГТУ осуществляется автономно через установленные вне машинного зала воздухозаборные камеры (ВЗК) 8, рядом с которыми размещены дымогарные трубы 9, через которые отводятся отработанные в газовой турбине продукты сгорания (на данной схеме газоотводящие трубопроводы не показаны).

При использовании газотурбинных установок "ПРЮНК" компактные газовые турбины, не имеющие ни осевых компрессоров, ни пусковых устройств, размещены в машинном зале 10 значительно меньших размеров (фиг. 2).

Компримирование и подача циклового воздуха в камеры сгорания газовых турбин осуществляется размещенной в отдельно стоящем цехе системой воздушных компрессоров (ВК) 11, включающей в данном примере три выделенных ступени сжатия - первую 12, вторую 13 и третью 14 с промежуточным охлаждением воздуха между ступенями I-II и II-III в охлаждающих установках 15 (для простоты каждая ступень сжатия представлена на данной схеме одним воздушным компрессором.

Привод воздушных компрессоров осуществляется газовыми турбинами 16, аналогичными по своей конструкции силовым газовым турбинам основных компрессорных цехов и обеспечиваемыми цикловым воздухом от единой для всей промплощадки КС системы воздухоподачи.

Для сглаживания неравномерностей в отборе циклового воздуха в результате пуска или остановки отдельных ГТУ, а также с целью создания определенного неснижаемого запаса сжатого воздуха для устойчивой работы КС между II и III ступенями сжатия предусмотрен аккумулятор воздуха в виде трубопровода-ресивера 17, а между III ступенью и непосредственно машзалами всех основных компрессорных цехов и тремя ступенями цеха воздушных компрессоров - раздаточный трубопровод-ресивер 18.

На трубопроводах 19 для подачи циклового воздуха непосредственно в камеры сгорания газовых турбин установлена регулирующая арматура 20 для двойного регулирования процесса образования топливной смеси - путем дозирования подачи циклового воздуха наряду с традиционным дозированием подачи топлива. На дымогарных трубах 21 ГТУ "ПРЮНК" установлены регенераторы тепла 22 для дополнительного подогрева циклового воздуха, а также топливного газа. Забор воздуха первой ступенью воздушных компрессоров осуществляется через групповую воздухозаборную камеру 23. Отвод отработанных продуктов сгорания от газовых турбин 16 к дымогарным трубам 21 производится по газоходам 24.

С целью повышения устойчивости работы системы обеспечения приводных турбин цикловым воздухом предусмотрен байпас 25 между трубопроводами-ресиверами 17 и 18, на котором установлен запорный кран 26.

Газотурбинная установка работает следующим образом.

Запуск ГТУ "ПРЮНК" производится без применения специальных пусковых устройств путем регулируемой подачи воздуха и топлива непосредственно в камеру сгорания запускаемой турбины и раскручивания ее до полных оборотов холостого хода, что легко осуществимо при наличии постоянного запаса сжатого воздуха в трубопроводе-ресивере 18.

Для первоначального запуска воздушных компрессоров 11 первой ступени сжатия кольцевой трубопровод-ресивер 18 после сооружения КС заполняется сжатым воздухом с помощью передвижной компрессорной установки (не показана). После этого поочередно запускаются воздушные компрессоры первой ступени сжатия, затем второй и в последнюю очередь третьей ступени. С этого момента компрессорная станция готова к эксплуатации - в основных компрессорных цехах может быть запущено и включено под нагрузку любое необходимое число газоперекачивающих агрегатов.

Наличие двух трубопроводов-ресиверов 17 и 18 позволяет в случае необходимости производить ремонт одного из них с последующим восстановлением нормального режима работы КС за счет запаса воздуха во втором трубопроводе-ресивере, который может перепускаться из одного ресивера в другой по байпасу 25.

Преимущества предложенной конструкции газотурбинной установки. Мощность газовых турбин ГТУ "ПРЮНК" на валу для привода ЦБН возрастет не менее чем в 2,5-3 раза при уменьшении их массы в 5-6 раз. Это позволит при сохранении существующего мощностного ряда ЦБН в 6-10-16-25 МВт резко уменьшить габариты и весовые характеристики газовых турбин. Это даст возможность: отказаться от недостаточного квалифицированного ремонта газовых турбин по месту их установки на КС и перейти к блочной замене дефектных турбин за считанные часы непосредственно в цехе с последующим ремонтом турбин в специализированных для этого заводских условиях; резко снизить уровень резервирования рабочих ГПА на КС с принятых в настоящее время 50-67% до 10-15% (на фиг. 2 число резервных агрегатов в КЦ N 1 сокращено до одного вместо двух, КЦ N 2 и N 3 могут вообще не иметь резервных ГПА, так как одного резервного агрегата в этом случае достаточно для всей КС в целом).

Автономное компримирование циклового воздуха позволяет существенно снизить энергоемкость этого процесса за счет введения промежуточного охлаждения воздуха между отдельными выделенными ступенями сжатия не менее чем на 25-30% , а вынесение цеха воздушных компрессоров в отдельную промзону - резко снизить уровень шума в машзалах основных компрессорных цехов. Это также даст возможность использовать более высокие суммарные степени сжатия циклового воздуха (порядка 35-40 и более), поскольку используемый из магистрального газопровода в качестве топлива газ имеет давление не ниже 4,5-5,5 МПа и это давление в настоящее время специально понижается из-за невысоких суммарных степеней сжатия для осевых компрессоров.

Качественно изменятся возможности воздействия на процесс образования топливной смеси в камерах сгорания газовых турбин за счет появления второго регулируемого компонента этой смеси - циклового воздуха и одновременно будет полностью исключена опасность помпажа при работе ГТУ.

Появится возможность унификации энергопривода для всех типов силовых установок КС на базе ГТУ "ПРЮНК" - привода ЦБН, воздушных компрессоров, электростанции собственных нужд. Последнее позволит сооружать полностью автономные от внешних энергоисточников КС в малоосвоенных районах Крайнего Севера, тогда как обычные КС требуют сооружения протяженных линий электропередач для запитывания каждой КС от двух независимых источников электроснабжения.

Энергетическая эффективность предложенной конструкции ГТУ по предварительной оценке будет выражаться в снижении общих энергозатрат на перекачку газа по магистральным газопроводам, что в масштабах Единой системы газоснабжения России приведет к экономии топливного газа на КС в объеме до 10-12 млрд. куб. м в год. Такой результат является совершенно реальным, поскольку в период до 2005-2010 гг. неизбежна 100% реконструкция всех действующих КС из-за полной выработки моторесурса установленными в настоящее время мощностями КС.

Формула изобретения

1. ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, содержащая по меньшей мере одну силовую турбину, многоступенчатый компрессор, имеющий автономный привод и соединенный воздуховодом через основной аккумулятор сжатого воздуха с камерами сгорания силовых турбин, дополнительный аккумулятор сжатого воздуха, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными камерами сгорания, подключенными на входе к основному аккумулятору сжатого воздуха, а на выходе к приводу компрессора, последний выполнен в виде приводной турбины, дополнительный аккумулятор сжатого воздуха расположен перед последней ступенью компрессора, причем компрессор с приводом установлены в отдельном цехе.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена установками промежуточного охлаждения воздуха, расположенными между ступенями компрессора.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена регенераторами тепла, установленными между основным ресивером и камерами сгорания.

4. Установка по пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена байпасным трубопроводом, соединяющим основной и дополнительный аккумуляторы сжатого воздуха.

5. Установка по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что основной и дополнительный аккумуляторы сжатого воздуха выполнены в виде трубопроводов-ресиверов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2