Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. постановка задач исследования 12
1.1. О поддержании повышенной экономичности ГТУ за счет
рационального использования регенерации теплоты 12
1.2. Влияние технического состояния турбогруппы и камеры сгорания на экономичность привода (обзор) 19
1.3. Эффективность конструкции и рациональное использование центробежных нагнетателей природного газа 27
1.4. Постановка задач исследования 34
ГЛАВА 2. Оптимизация решений по повышению эффективности и надежности проточной части турбомашин и камеры сгорания стационарных гту, имеющих большую наработку с начала эксплуатации 36
2.1. Анализ возможных вариантов модернизации агрегатов типаГТН-16ТМЗ 36
2.2. Возможность и целесообразность модернизации ГТУ Невского завода типа ГТН-25/76 48
2.3. Выбор оптимального по соотношению затрат и экономического эффекта варианта модернизации турбогруппы и камеры сгорания ГТК-10-4 56
2.4. Выводы 68
Глава 3. Анализ типов конструкции, выбор степени регенерации и компоновки рекуператоров ГТК-10-4, замещающих существующие результаты испытаний образцов рекуператоров 71
3.1. Оптимизация конструкции кожухотрубного рекуператора для ГТК-10-4 71
3.2. Результаты испытаний рекуператоров Подольского завода типа РВП-3600 и РГУ-1800 в составе агрегатов ГТК-10-4 на КС Тюментрансгаза 78
3.3. Результаты испытаний в составе агрегата ГТК-10-4 модульных трубчатых рекуператоров ЗАО "ОРМА" 81
3.4. Разработка и характеристики вновь создаваемых трубчатых рекуператоров 84
3.5.Выводы 89
ГЛАВА 4. Исследование возможностей повышения эффективности газотурбинного привода за счет изменения конструкции силовой турбины 91
4.1. Повышение эксплуатационной экономичности газотурбинного привода за счет использования преимуществ регулируемой силовой турбины 91
4.2. Анализ эффективности конструкции силовой турбины в заменяемых конвертированных двигателях 100
4.3. Выводы 104
ГЛАВА 5. Обоснование оптимизации проточных частей нагнетателей при их модернизации на головных и линейных КС 106
5.1. Эффективность эксплуатации ГПА с имеющимися характеристиками ЦН в газотранспортной системе "Тюментрансгаз" 106
5.2. О согласовании коэффициентов удельной быстроходности существующего привода и необходимой СПЧ ЦН для линейных и дожимных КС 112
5.3. Анализ предложений по сменной проточной части для нагнетателей НЦ-16-76 КС "Ныдинская"
при pi=var и p2=var 119
5.4. Совершенствование методики испытаний натурных ЦН
со сменными проточными частями 126
5.5. Выводы 134
Заключение 135
Библиографический список
- Влияние технического состояния турбогруппы и камеры сгорания на экономичность привода (обзор)
- Возможность и целесообразность модернизации ГТУ Невского завода типа ГТН-25/76
- Результаты испытаний рекуператоров Подольского завода типа РВП-3600 и РГУ-1800 в составе агрегатов ГТК-10-4 на КС Тюментрансгаза
- Анализ эффективности конструкции силовой турбины в заменяемых конвертированных двигателях
Введение к работе
Значение 000 "Тюментрансгаз", как крупнейшей составляющей газотранспортной системы ОАО "Газпром", трудно переоценить. На сегодня 29% всех установленных в стране ГПА - это агрегаты ООО "Тюментрансгаз", что составляет 37% суммарной мощности парка ГПА России.
Получая природный газ от четырех крупных и нескольких мелких газоконденсатных месторождений, предприятие транспортирует и передает его по 12 газопроводам большого диаметра в 000 "Пермтрансгаз", по четырем - в ООО "Севергазпром" и по трем - в ООО "Уралтрансгаз". Работа системы обеспечивается 35 компрессорными станциями, на которых, к началу 2003 года, установлено 1137 ГПА 21 типа, суммарной мощностью 14800 МВт. Из них в 626 агрегатах привод центробежных нагнетателей осуществляется стационарными ГТУ, в 410 - конвертированными авиационными двигателями и в 101 - судовыми. За исключением шести агрегатов типа ГТН-25ИР и двенадцати типа ПЖТ-10, все стационарные ГТУ имеют большую наработку с начала эксплуатации, вследствие чего их технико-экономические показатели не отвечают современным требованиям и не способствуют повышению надежности и эффективности работы газотранспортной системы. В частности 337 ГПА Невского завода с ГТУ типа ГТК-10-4 имеют наработки порядка 100 тысяч часов и, следовательно, нуждаются в модернизации, либо в замене, так как, несмотря на то, что достижение назначенного ресурса не является основанием для немедленного прекращения эксплуатации агрегата, существуют формальные препятствия, связанные с проблемами безопасности применения оборудования, решение которых требует определенных затрат.
Особенно значим для этого типа агрегатов вопрос замены низконадежных и неремонтнопригодных пластинчатых регенераторов на теплообменники, обеспечивающие не меньшую степень регенерации, чем штатные и
позволяющие, по своим массо-габаритным показателям, установить их на существующие фундаменты без демонтажа и переноса дымовых труб.
Кроме того, для определения показателей работы стационарных ГТУ решающим фактором является техническое состояние турбогруппы и камеры сгорания, например - увеличение радиальных зазоров, искажение профилей лопаток и неравномерность температурного поля перед турбиной.
В дополнение к вышеизложенному, необходимо отметить, что существуют реальные резервы значительного повышения КПД, как составных элементов, так и ГПА в целом, за счет изменения конструкции силовой турбины ГТУ и путем оптимизации проточных частей центробежных нагнетателей.
В условиях, когда газотранспортная система ООО "Тюментрансгаз" практически сформирована (из 214 предусмотренных проектом компрессорных цехов введены в эксплуатацию 209) и наработка с начала эксплуатации более чем 25% установленных ГПА превышает назначенный ресурс 100 тысяч часов, вопросы реконструкции оборудования путем замены либо реновации приобрели особую актуальность. Тем более важно в создавшейся ситуации не только определить возможные пути реконструкции и технического перевооружения КС, но и оценить их приоритетность и эффективность, особенно с учетом ограниченного финансирования.
Если обновление парка приводов транспортного типа традиционно осуществляется путем их замены более совершенными двигателями, что требует больших капитальных затрат, то главным путем совершенствования стационарных приводных ГТУ является модернизация, позволяющая повысить их технико-экономические показатели, отсрочить крупные затраты на их замену и рационально распорядиться выделяемым финансированием. При этом необходимо получить существенную экономию топливно-энергетических ресурсов при транспортировке газа по магистральным газопроводам, повысить надежность работы ГПА, улучшить экологическую обстановку в зоне
функционирования ГТС. Одновременно необходима модернизация и центробежных нагнетателей с целью формирования оптимальных режимов транспорта газа.
Для проведения работ по модернизации большого парка ГПА в условиях ограниченного финансирования недостаточно выполнения обычных технико-экономических расчетов. Нужно было тщательно проанализировать имеющиеся предложения, опытным путем проверить их эффективность с тем, чтобы реализовать наиболее перспективные на возможно большем числе ГПА с максимальным эффектом.
Цель работы
Выявить наиболее важные направления совершенствования стационарных ГТУ ООО "Тюментрансгаз", на которых мероприятия по модернизации дадут максимальный экономический эффект, апробировать их и обеспечить реализацию на возможно большем числе ГПА с учетом возможностей финансирования.
Научная новизна
Работа выполнена применительно к сложной газотранспортной системе с разнообразными условиями эксплуатации газоперекачивающего оборудования.
Экспериментальным путем установлено, что детализированные натурные испытания стационарных ГТУ, типа ГТК-10, прошедших модернизацию, дают более достоверные данные об эффективности проведенных усовершенствований, чем различные диагностические методы.
Проанализированы и проверены наиболее эффективные технические решения по повышению надежности и экономичности турбоагрегатов ГТН-16 производства ТМЗ.
Изучены возможные пути повышения экономических показателей ГТУ типа ГТН-25 НЗЛ и обоснована целесообразность замены этих ГТУ на более современный газотурбинный привод.
Усовершенствована методика и проведены натурные испытания трех разных конструктивных типов воздухоподогревателей (рекуператоров) в составе газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4, а также выявлена целесообразность применения их в зависимости от условий установки и эксплуатации.
Исследован ряд методов повышения эксплуатационной экономичности регенеративных ГТУ с регулируемой силовой турбиной. Показана возможность дополнительной экономии топливного газа.
Проанализированы пути повышения эффективности свободных силовых турбин конвертированных авиационных двигателей и выработаны научно-обоснованные рекомендации по их совершенствованию.
Усовершенствована методика испытаний нагнетателей природного газа в условиях эксплуатации и разработан метод определения оптимальных параметров сменных проточных частей при изменяющихся параметрах на входе и на выходе КС.
Практическая значимость работы
Определены и проведены эффективные мероприятия по модернизации турбоблока ГТК-10-4, которые могут быть реализованы без его отправки на завод, что позволило при ограниченном финансировании провести их на большем числе агрегатов.
Проведены в составе ГПА ГТК-10-4 испытания рекуператоров различных типов (РВП-3600, РГУ-1800, ВПТ-1400), которые дали возможность
обоснованно принять решения о целесообразности использования на каждой компрессорной станции вместо пластинчатых того или иного типа трубчатых рекуператоров.
Усовершенствована методика определения развиваемой газотурбинным приводом мощности, что позволило определить эффективность различных работ по модернизации ГТУ и реализовать наиболее перспективные из них.
Уточнен эффект от оптимизации программы регулирования в импортных регенеративных ГТУ применительно к условиям КС "Тюментрансгаза" и намечены мероприятия для ее достижения.
Разработан метод определения параметров сменных проточных частей нагнетателей повышенной напорности для головных участков газопроводов, что позволило при минимальном числе работающих ГПА повысить пропускную способность газотранспортной системы на этих участках.
Автор защищает следующие положения
1. Методика обоснования и выбора оптимальных для условий газотранспортной системы ООО "Тюментрансгаз" решений по модернизации проточной части турбомашин и камеры сгорания стационарных ГТУ, имеющих большую наработку с начала эксплуатации (ГТК-10-4,ГТН-16). - 2. Методология и результаты выбора типа конструкции, степени
регенерации и компоновки рекуператоров для ГТК-10-4, замещающих существующие, с обеспечением максимального экономического эффекта.
3. Разработка, обоснование и выбор методов контроля эффективности и фактического технического состояния ГПА до и после модернизации (целевые детализированные испытания).
4. Обоснование выбора рациональных параметров для модернизации проточных частей нагнетателей повышенной напорности для головных КС газотранспортной системы, обеспечивающих повышение пропускной способности участков газопровода при минимальном числе работающих агрегатов.
Апробация работы
Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и научно-технических сессиях:
Шестой международный симпозиум "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования", Санкт-Петербург. 31 мая-2 июня 2000 г.;
XLVII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. РАН. Пермь. 25-28 сентября 2000 г.;
XI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". Москва. 15-17 ноября 2000 г.;
Седьмой международный симпозиум "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования", Санкт-Петербург. 30 мая-1 июня 2001 г.;
XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин.
. РАН. Рыбинск. 25-26 сентября 2001 г.;
Восьмой международный симпозиум "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования", Санкт-Петербург. 29-31 мая 2002 г.;
XLIX научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. РАН. Москва. 11-12 сентября 2002 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 работ, получено два патента на изобретения, одно свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и библиографического списка. Общий объем диссертации 167 страниц, в том числе 42 рисунка, 14 таблиц. Библиографический список включает 42 наименования.
Работа является составной частью программы технико-экономического обоснования путей реконструкции и технического перевооружения КС, проводимой ООО "Тюментрансгаз" совместно с кафедрой "Турбины и двигатели" теплоэнергетического факультета Уральского государственного технического университета. Представленные экспериментальные результаты получены совместно с доцентом кафедры Тарасовым А.В.
Автор выражает признательность научному консультанту, генеральному директору ООО "Тюментрансгаз", кандидату технических наук Завальному П.Н., научному руководителю, профессору кафедры "Турбины и двигатели", кандидату технических наук Ревзину Б.С., а также коллективу кафедры и ее руководителю, доктору технических наук Бродову Ю.М. за постоянное внимание и помощь в ходе выполнения работы.
Влияние технического состояния турбогруппы и камеры сгорания на экономичность привода (обзор)
В ГОСТ 21199-75 "Установки газотурбинные. Общие технические требования" определено: "Снижение фактической мощности в процессе эксплуатации ГТУ в течение межремонтного периода не должно превышать 5% от номинальной, а КПД - 3% относительных". После выделения для регенеративных ГТУ влияния технического состояния рекуператора решающим для экономичности привода является техническое состояние турбогруппы и камеры сгорания. Для оценки фактического технического состояния ГТУ в литературе использованы предложенные ВНИИГАЗом [40] коэффициенты технического состояния по мощности KN = Nenvj Ne0 и КПД К„ = rje /rjeo , где Nenp и 7]е фактические значения мощности, приведенные к номинальным условиям, и соответствующие ей КПД, a Neo и 7]е0 номинальные величины мощности и КПД.
Возможно также использование коэффициента технического состояния ГПА по топливному газу, в котором кроме КПД ГТУ, должен быть учтен фактический относительный КПД приводимого нагнетателя. Главными факторами, определяющими снижение полезной мощности привода и удельный расход топливного газа, кроме утечек воздуха в регенеративных ГТУ, являются увеличение радиальных зазоров в проточной части и в уплотнениях, осевых турбомашин, загрязнение и искажение профилей лопаток.
Для определения фактической мощности ГТУ в объединении "Тюментрансгаз" используются различные методы. Наибольшее распространение для двухвальных ГТУ получил метод измерения избыточного давления воздуха за осевым компрессором. Он включен в Стандарт предприятия. Кроме того, мощность можно определить по приближенным формулам ВНИИГАЗа [39]. Для трехвальных ГТД и ГТУ более точные результаты можно получить измерением мощности, потребляемой нагнетателем. Она может быть подсчитана по формуле N:=Gr-—zRTlr r jfc-1 1г ( — Л с L /мех V J где Л - - внутренняя мощность, потребляемая ЦН, кВт; GT - секундный расход газа, кг/с; 7]г - абсолютная температура газа перед нагнетателем, К; 7мех " механический КПД на валу СТ, учитывающий привод механизмов.
Для трехвальных ГТД (ГТУ) используется также так называемое "скольжение роторов", т.е. относительное изменение частот вращения КНД и КВД. При данной температуре атмосферного воздуха оно свидетельствует о состоянии проточной части турбомашин в турбокомпрессорных блоках н.д. и в.д. Дополнительно можно использовать известный метод малых отклонений [39] для определения влияния измеряемой температуры за турбиной Тт на мощность при известных параметрах атмосферного воздуха.
Из более новых работ в области диагностики отметим [17]. Работа имеет выраженную направленность на выявление того или иного частного дефекта с целью его устранения, например, загрязнение проточной части компрессора, неравномерность температурного поля после камеры сгорания и т.п.
В источнике [21] предлагалось переработать методы диагностирования работы авиационных газотурбинных двигателей для наземного применения, например, намечено использовать характеристику осевого компрессора в координатах л" =/і(Л/ ЛД и 7к = fli w a) затем заменять ее полиномами, сочетание которых представляло бы собой математическую модель осевого компрессора. Аналогично предлагалось использовать уравнения рабочего процесса ГТД, как-то: уравнение равенства работ компрессоров и турбин на отдельных валах, уравнение неразрывности, математическое описание программ регулирования. Диагностическая модель ГПА в этом случае представляла бы собой сложную систему уравнений, которую можно было использовать, заранее определив коэффициенты влияния. Эти предложения имели солидную научную базу, разработанную для авиационных ГТД, эксплуатируемых при различной плотности воздуха и с различной скоростью потока, но для практического применения в условиях компрессорных станций они оказались слишком сложными и недостаточно доказательными.
В отношении параметрической диагностики, как справедливо указано в [13], для эффективного ее применения необходимо решить две принципиальные задачи: обеспечить необходимый объем и требуемую точность измерений параметров ГТУ и ЦН; разработать методическое и программное обеспечение для оперативной обработки результатов на ПЭВМ.
Автором [19] предложен ряд методических приемов, с которыми не всегда можно согласиться из-за их трудоемкости.
Для проверки эффективности модернизации нужны были более надежные методы определения качества работы узлов турбогруппы и камеры сгорания до и -после проведения мероприятий по модернизации. Предложения диссертанта по этому вопросу изложены ниже.
Возможность и целесообразность модернизации ГТУ Невского завода типа ГТН-25/76
ГТУ типа ГТН-25/76 была разработана Невским заводом в конце 70-х -начале 80-х годов с большим запасом по мощности ( NH0M = 30 МВт) с целью удовлетворить растущим в то время потребностям газотранспортных систем в блочных, мощных, экономичных и автоматизированных агрегатах. За счет сжатия в двух компрессорах при 7ГК=\2,5 и повышении начальной температуры газа до 900 С согласно расчету достигался rje = 29А %. Расход воздуха был принят 175 кг/с [1].
По стационарным ГТУ принятого НЗЛ типа конструкции (вал НД внутри ротора ВД) при подшипниках скольжения мировой конструкторский опыт очень ограничен. Некоторую неопределенность вносило также неточное расчетное определение пропускной способности турбинных венцов при критическом истечении, которое имеет место на максимальных режимах. По-видимому, учитывая это и требования более высокой точности изготовления лопаточного аппарата, заводом была предусмотрена возможность изменения проходного сечения соплового аппарата ТНД и несложной подстройки угла . установки сопловых лопаток силовой турбины (СТ).
Головной образец сразу потребовал некоторой доводки проточной части турбин при удовлетворительном уровне КПД компрессорной группы.
Однако большой объем задач по экспериментальной отработке весьма сложного турбоагрегата в короткие сроки, превысил возможности завода по их решению. Ситуация потребовала развертывания серийного производства при ряде недоведенных новых узлов и агрегата в целом.
После получения начального опыта групповой эксплуатации заказчиком и поставщиком было принято решение об уменьшении величины полезной мощности до 27,5 МВт и корректировке лопаточного аппарата турбомашин. Для продолжения доводочных работ был привлечен также ЦКТИ.
В соответствии с принятыми решениями, с 1986 г. завод перешел на выпуск агрегатов сниженной мощности по ТУ108.1162-85 с Ne=27,5 МВт и заявленным эффективным КПД в станционных условиях 77е=28,1 %, которого следовало достигнуть.
В процессе доводочных работ по агрегату сниженной мощности было уменьшено проходное сечение соплового аппарата (СА) свободной турбины (СТ), развернуты рабочие лопатки (РЛ) первой ступени КВД (начиная с агрегата зав. №1293), что позволило повысить обороты вала В.Д. на 5% и КПД ТВД при сохранении эффективности компрессора ВД.
Во избежание отрицательной реактивности в корне СТ ее рабочие лопатки были повернуты на минус 7, начиная с агрегата №1301, а также уменьшены высоты сопловых и рабочих лопаток на 5%(с315до 300 мм).
В дальнейшем в порядке совершенствования ГТУ была снята первая ступень КНД, что позволило повысить частоту вращения вала НД, КПД ТНД и снизить начальную температуру газа при номинальной мощности. Расход воздуха через КНД при этом снизился на 10% (при расчетной частоте вращения).
Это также дало возможность улучшить работу соединительного патрубка между ТНД и СТ. Однако, в тот период удовлетворительного распределения скоростей за ТНД не было получено. Полной реализации намеченнных решений добиться не удалось. Работа каскада высокого давления не обеспечивала достаточной удаленности рабочей точки КНД от границы устойчивости.
В результате проведенных доводочных мероприятий на компрессорных станциях газотранспортных объединений, в том числе в Тюментрансгазе, оказались агрегаты с разными модификациями проточных частей турбомашин. Это следует из рис.2.7, на котором видна взаимосвязь частот вращения валов ТНД и ТВД с общей степенью сжатия. Согласно рис.2.7 разброс частот вращения по отдельным агрегатам достигал: по ТВД 6%, по ТНД 8%. Несмотря на то, что групповая эксплуатация большинства из 30 установленных агрегатов ГТН-25 длилась более 15 лет, коэффициент готовности в 2001 г. составлял только 0,83.
Для уточнения существующих на начало 2000 г. показателей ГТУ типа ГТН-25 с нагнетателем 650-22-2 было обследовано положение дел с этими ГПА на КС "Таежная", как имеющей наибольшее в Тюментрансгазе число таких ГПА (12).
В двух цехах (4-м и 5-м) установлены ГТН-25 с заводскими номерами до №1289, имеющие высоту сопловых лопаток СТ 315 мм и площадь FCACT=5530-5600 см (разброс величин до 1,3 %). Площади в ТВД 7ГСАВД=1266-1305 см2 (разброс величин до 3%). В цехах №6 и №7 установлены ГТУ с высотой СЛ СТ 300 мм и площадью САСТ =4755-4798 см2 (максимальный разброс 0,9%). У этих агрегатов 7гСАВд=1223-1246 см , т.е. разброс значений до 1,9%. В цехе №6 стоят ГТУ зав. №1302-1304, а в цехе №7 -зав. №№ 1481,82, 84 уже с 6-ступенчатым КНД. Следовательно, по проточным частям турбомашин на КС установлены ГТУ трех модификаций.
Результаты испытаний рекуператоров Подольского завода типа РВП-3600 и РГУ-1800 в составе агрегатов ГТК-10-4 на КС Тюментрансгаза
Как следует из табл.3.1 по результатам испытаний рекуператоров в составе ГТУ, относительное гидравлическое сопротивление по воздуху в правой (первой) секции на 10... 12% меньше, чем в левой. Следовательно расход через левую (вторую) секцию на 5...6% больше, чем в правую. Это качественно согласуется с тем, что при отсутствии ВСА за последней ступенью компрессора, поток на выходе из компрессора сохраняет закрутку по вращению, и полное давление на входе в воздухопровод к левой секции должно быть выше, чем к правой.
Если считать, что расход по газоходам после турбины приблизительно одинаков, то в правой секции воздух должен нагреваться больше, чем в левой. Это подтверждается результатами испытаний: повышение температуры воздуха при близких режимах испытаний в первой секции выше чем во второй на 60...100 С, за исключением агрегата №45, где это превышение составляет 35 С. По-видимому, в этом агрегате закрутка воздуха за компрессором или отсутствует или имеет меньшее значение.
В соответствии с неравномерным распределением воздуха по секциям степень регенерации, определенная по соотношению {trp)f(trK), следует считать условной: по первой секции она завышена, по второй - занижена. Перерасход топлива из-за неравномерного распределения воздуха по секциям подлежит дополнительному изучению.
Итак, в результате этих испытаний было установлено, что в холодное время года средняя степень регенерации при испытаниях РГУ-1800 в составе ГТК-10-4 составляет от 0,69 до 0,72, суммарное относительное гидравлическое сопротивление по тракту от 5,4 до 6,8%.
Два агрегата ГТК-10-4, укомплектованные модульными воздухоподогревателями ЗАО "ОРМА", были испытаны на КС Тюментрангаза в 2002 г.
Трубчатый рекуператор разработки ЗАО "ОРМА" в варианте неполной массы (22 т - одна секция) получил обозначение ВПТ-1400. Особенностью конструкции является движение воздуха внутри труб, а продуктов сгорания -снаружи, а также отсутствие осевой симметрии, которая обеспечивала бы равномерность тепловых деформаций, что характерно для регенераторов конструкции ГЕА. Первый объект испытаний был представлен как типовой. Из работ по модернизации турбогруппы было известно только, что уменьшена эллипсность корпусов осевого компрессора и турбин, и это позволило восстановить радиальные зазоры в проточной части, а над рабочими лопатками ТВД и ТНД установлены сотовые уплотнения. В остальном выполнен обычный набор ремонтных работ в объеме капитального ремонта, со времени проведения которого прошло 12400 часов. С момента модернизации и установки рекуператоров ВПТ-1400 до начала испытаний - 1080 часов.
Методика и схема испытаний соответствовали ранее описанным в главе 2. Приводимый нагнетатель был типа 370-18-1 с узким рабочим колесом. По условиям работы КС не удалось нагрузить ГТУ более, чем на 70% от номинала.
Степень регенерации по секциям составила на максимальном режиме 0,68 на первой секции и 0,74 на второй, т.е. результат обратен тому, который наблюдался на испытанных ранее агрегатах с регенератором ГЕА.
Второй агрегат ГТК-10-4 с модульным трубчатым рекуператором ВПТ-1400 был испытан в диапазоне Ne п =0,83... 1,0, но при относительной гпр приведенной температуре за турбиной до 7 =1,08. Обработанные результаты испытаний показаны на рис.3.3. На режиме номинальной приведенной температуры эффективный КПД ГТУ, оснащенной рекуператорами ВПТ-1400, был близок к 28,5%. Степень регенерации на режимах, близким к номинальным, составила для одной секции 0,71, для другой 0,73. Суммарные относительные сопротивления секций рекуператора были в пределах 4,5-5,0, т.е. соответствовали паспортной характеристике. В связи с пониженным «Д, но достаточно высоким измеренным КПД осевого компрессора, недостаточная приведенная мощность в данном случае объясняется по-видимому сниженным КПД ТВД, а возможно и теплоперепадом на нее.
Поскольку регенерация теплоты является наиболее эффективным методом повышения экономичности стационарных приводных ГТУ, а парк регенеративных ГТУ различной мощности на компрессорных станциях ОАО "Газпром" превышает тысячу единиц, работы по созданию новых эффективных рекуператоров должны быть продолжены. В частности, по инициативе автора ведется разработка применительно к агрегату ГТК-10-4 рекуператора трубчатой конструкции, который должен иметь более высокие технико-экономические показатели, чем существующие.
Рекуператор, предназначенный для модернизации эксплуатируемой ГТУ, должен удовлетворять следующим функциональным требованиям: теплогидравлические и надежностные параметры должны быть не хуже, чем у применяемых в настоящее время; должна быть обеспечена работа штатного модуля утилизатора тепла. Имеются и габаритно-компоновочные ограничения: рекуператор должен размещаться на штатном фундаменте при сохранении размеров и положения проемов для прохода трубопроводов воздуха и продуктов сгорания; нагрузка на фундамент не должна превышать 24000 кг; рекуператор вместе с утилизатором и выхлопной трубой должен быть вписан в пространство между цеховой стеной и КВОУ. Кроме того, конструкция рекуператора должна быть простой в обслуживании и не требовать в производстве применения специальных технологий.
Анализ эффективности конструкции силовой турбины в заменяемых конвертированных двигателях
При модернизации газоперекачивающих агрегатов с конвертированными ГТД экономичность привода обеспечивается в первую очередь термодинамическими параметрами газогенератора, т.е. выбором пк и Тг и возможностью их реализации при высоких КПД турбомашин и эффективной системе охлаждения турбины. Однако для эксплуатации важно также создание условий для обеспечения высоких КПД модернизированной силовой турбины и эффективной сменной проточной части приводимого нагнетателя. В газотранспортной системе "Тюментрансгаз" большинство СТ в агрегатах поставки 80-х годов выполнены одноступенчатыми (НК-16СТ, ГТН 25И, ГТН-16) и сильно нагруженными. При этом по коэффициенту удельной ф0,5 быстроходности [34] Кп =—j-=r их ступени близки к Кп=0,3, что сужает диапазон их эффективного применения.
В модернизируемых нагнетателях в связи с необходимостью применения более напорных ступеней ЦН для ДКС и менее напорных для ЛКС, возможно как увеличение, так и снижение оптимальных значений коэффициента быстроходности. Переход на двухступенчатую СТ позволяет уменьшить коэффициент нагрузки ju (знаменатель в выражении для Кп) и расширить область оптимальных соотношений Кп для ступеней СТ. Это видно из рис.4.5, построенного по просьбе автора к.т.н. Тарасовым А.В. для ступеней осевых турбин и центробежных нагнетателей с различными условными коэффициентами расхода. Для модернизированных СТ повышение коэффициента удельной быстроходности за счет снижения коэффициента нагрузки позволит расширить диапазон эффективного сочетания по частоте вращения СТ и ЦН и создать условия для повышения КПД, как ступеней ЦН, так и СТ в целом. По этим причинам диссертант отдает предпочтение силовым турбинам конвертированных двигателей с числом ступеней две и более.
Особенностью двухступенчатой СТ является необходимость выравнивания средних диаметров обеих ступеней и минимизации потерь с выходной скоростью последней ступени, что предопределяет умеренный коэффициент расхода в ее рабочем колесе. С другой стороны для нее кинематическая степень реактивности при С2и=0 /эк=1-//ср/2 или уИср «2(1-уОк). Исходя из рациональной р =0,4 ±0,05, получаем //ср «1,2 и согласно кривым Смита оптимальный коэффициент расхода со2 = 0,55...0,65, что должно обеспечить достаточно высокий КПД и при половинной потере выходной скорости.
Такие параметры последней ступени в двухступенчатых СТ в целом могут быть успешно реализованы в равной мере, как в СТ транспортного типа, ремонт которых предусматривается в специальном ремонтном центре, так и в СТ стационарной конструкции, ремонтируемой в условиях эксплуатации.
Анализируя вопрос с оптимальными относительными удлинениями сопловых и рабочих лопаток СТ, автор пришел к заключению о целесообразности пониженных удлинений за счет увеличения хорд лопаток. При этом уменьшается число лопаток и снижаются затраты на ремонт. Возможен отказ от выполнения рабочих лопаток с наружными полками (бандажами) с заменой их сотовыми уплотнениями. Поскольку ступеням СТ присуща повышенная веерность, при этом практически неизбежна некоторая диффузорность на входе в корневую часть рабочих лопаток. Рост хорды рабочих лопаток весьма благоприятен для снижения потерь. Увеличенные хорды - это также меньшая относительная шероховатость профильной части, сниженные кромочные потери при фиксированной толщине кромок. Благоприятно и увеличение радиусов кривизны для снижения профильных потерь.
В связи с большой выходной скоростью за рабочими лопатками последней ступени необходим тщательно отработанный затурбинный диффузор, переходящий в развитый выходной патрубок. Существующая конструкция в агрегате ГПА-Ц-16 имеет большие гидравлические потери. Известно также, что если во входной части диффузора расположены стойки, то на переменном режиме они могут работать со срывом и вызывать большие потери. Наилучшим решением является диффузор без стоек, а примеры таких конструкций имеются. Совершенные затурбинные диффузоры имеют степень расширения 2,5...3,5.
Еще более важен рост назначенного и межремонтного ресурса СТ при переходе на конструкцию стационарного типа.
Среди фирм, работающих в условиях жесткой конкуренции, возможность проведения обслуживания и ремонта оборудования на месте эксплуатации считается существенным преимуществом. Именно поэтому фирмы "Ролле Ройс", "Купер Ролле", "Нуово Пиньоне", "ГХХ Борзиг", "Дрессер Рэнд" и другие в комплекте с совершенными авиационными газогенераторами предлагают свободные силовые турбины стационарной конструкции, предусматривающей проведение обслуживания и ремонта на месте эксплуатации при увеличенном общем и межремонтном ресурсе.
Наиболее прогрессивны по мнению диссертанта такие типы конструкции статора силовой турбины, когда имеется простой доступ к лопаткам СТ. Тогда все рабочие лопатки могут быть всесторонне обследованы, отдельные лопатки при необходимости заменены с соблюдением требований, обеспечивающих уравновешенность ротора. Сопловые лопатки или сопловые сегменты также могут быть заменены.
Желательно иметь общую маслосистему для СТ и приводимого ЦН. При этом сокращается число насосов и снижаются затраты на обслуживание и ремонт.
Одновременно должны быть проведены мероприятия по увеличению межремонтного ресурса свободной турбины при модернизации ГПА. ) В целом в конструкции свободной силовой турбины конвертированного авиационного двигателя при модернизации должны быть максимально использованы преимущества СТ стационарного типа с тем, чтобы ее ремонт мог быть произведен в условиях эксплуатации.
