1.4.3. Гпа нового поколения

В нашей стране транспортировка газа обеспечивается компрессорными станциями, установленная мощность которых составляет около 42 млн. кВт, в том числе с газотурбинным приводом около 85 %, электрическим приво­дом около 12 % и поршневым приводом около 1 %. В дальнейшем планиру­ется постепенное уменьшение относительной доли электроприводов. Газо­турбинный парк ГПА постоянно обновляется, что обеспечивает современ­ный уровень основных эксплуатационных показателей.

Газотурбинный парк ГПА включает в себя более 20 типов агрегатов (око­ло 3000 шт.) единичной мощностью от 2,5 до 25 МВт, с номинальным к.п.д. от 23 до 34 % [12, 37, 56, 89, 90, 98].

Большая доля газотурбинного парка морально и физически устарела: 8 % мощностей имеют наработку более 100 тыс. ч, а 46 % - в пределах 50-100 тыс. ч.

Обновление парка ГПА газовой промышленности может осуществляться по следующим направлениям:

9. модернизация существующих ГПА

10. внедрение газовых турбин нового поколения,

11. продукция совместного производства отечественных и зарубежных фирм;

12. продукция ведущих зарубежных фирм.

Модернизация стационарных газотурбинных установок типа ГТК- 10-4, ГТН-16, которые находятся в эксплуатации с 1985 г. (замена сущест­вующих дефектных регенераторов регенераторами трубчатого типа, умень­шение радиальных зазоров турбомашин и т.п.), позволяет поднять техничес­кий уровень и конкурентоспособность этих агрегатов и обеспечить целенап­равленное, плавное во времени обновление парка ГПА за счет внедрения агрегатов нового поколения.

Огромный парк стационарных ГПА типа ГТК-10-4 и ГТН-16 не может быть обновлен быстрыми темпами по следующим причинам:

• необходимы огромные финансовые ресурсы для закупки и соответствующей материальной части (для решения этой проблемы требуется 10-15 лет);

• предлагаемые ГИЛ нового поколения должны пройти необходимую опытно-промышленную эксплуатацию с тем, чтобы подтвердить свои технико-экономические показатели в условиях длительной наработки и определиться с затратами на производственно-эксплуатационные нужды и ремонтно-техническое обслуживание;

• период реформ экономики России привел к падению производственно­го и кадрового потенциала производителей ГТК-10-4 и ГТ11-16, что обус­ловило значительные перебои поставок запасных частей для плановых ремонтов, замедление ОКР по модернизации действующих агрегатов. Наряду с этим, опыт эксплуатации агрегатов первого поколения и иссле­дования, проведенные ВНИИгазом. показывают, что ресурс базовых узлов ГТУ и центробежных нагнетателей (корпусы, диски и барабаны роторов, обоймы статорных элементов облопачивания) реально может составить 150-180 тыс. ч. Таким образом, агрегаты ГТК- i 0-4 и ГТН-16 еще могут на­ходиться в эксплуатации 12-15 лет при соответствующем обеспечении за­пасными частями и периодических исследованиях образцов материала базо­вых узлов на соответствие ТУ.

Рассматриваемые агрегаты реально содержат резервы повышения рабо­чих характеристик путем модернизации любых узлов ГТУ и ЦН в существу­ющих корпусах непосредственно на КС.

Модернизация ГТК-10-4 и ГТН-16 позволит поднять технический уровень и конкурентоспособность этих агрегатов при значительно меньших зат­ратах и обеспечит целенаправленное обнавление парка ГПА.

Основными техническими направлениями модернизации ГТК-10-4 с це­лью восстановления паспортных значений мощности и к.п.д. являются:

• замена регенераторов пластинчатого типа более надежными, например, трубчатыми;

• уменьшение радиальных зазоров турбомашин;

• внедрение комбинированных двухканальных горелок с предваритель­ным смешением топливовоздушиой смеси для снижения концентрации NO_x и СО.

Комплексное внедрение мероприятий по модернизации ГТК-10-4 позво­лит восстановить мощность агрегата до паспортных значений и довести к.н.д. ГТУ до 30,5%.

Одним из возможных путей повышения к.п.д. ГТУ ГТН-16 является пере­вод ее на регенеративный цикл. Анализ показал, что при степени регенерации 0,85 к.п.д. цикла может составить 35 %. Однако такая модернизация потре­бует значительных изменений в конструкции ГТУ. В первую очередь это ка­сается корпуса турбины, его прочности и жесткости в зонах присоединения патрубков отвода и подвода циклового воздуха в регенератор и после него к камере сгорания. Сложной задачей является также компоновка такой ГТУ при бесподвальном размещении в укрытии. Существующий осевой комп­рессор должен обеспечить степень сжатия 7,8. Проточные части турбины высокого давления (ТВД) и турбины низкого давления (ТНД) должны быть перепроектированы с сохранением числа лопаток по ступеням. Для камеры сгорания необходимы разработка новых горелочных устройств и корректи­ровка системы автоматического регулирования (САР). Таким образом, пе­ревод установки на регенеративный цикл по финансовым затратам сопоста­вим с заменой на ГТУ нового поколения.

Обновление парка ГПА, доведение его технического уровня до со­временных требований связано с внедрением ГПА нового поколения, ко­торые были созданы в последние годы на базе конверсионного потенциала. К таким агрегатам можно отнести ГПА - 16 «Уфа» (УМПО), ГПА - 12 «Урал» с приводом ПС-90А; ГПА-16 «Урал» (НПО «Искра»), ГПУ-16 (Машпроект, г. Николаев), ГПА-Ц-16АЛ (АО «Люлька-Сатурн»), ГПА-Ц- 16А (КМПО). Не следует исключать и предложения Невского завода по за­мене ГТК-10-4 агрегатами типа ГТК-10М и ГТНР-16.

Новые ГТУ применяются на строительстве и реконструкции КС; дожимных КС, необходимых для компенсации падения давления по мере разработ­ки месторождений; КС подземных хранилищ газа; электростанциях; комп­лексах для разработки морских месторождений газа; заводах сжижения при­родного газа и др.

Для обеспечения надежности серийной продукции производится их по­этапное внедрение. После стендовых испытаний одного - двух (или более) первых образцов привода их устанавливают для приемочных испытаний и на­копления упреждающей наработки в эксплуатируемый агрегат на опытно промышленной КС. Одновременно изготавливается и испытывается голов­ной образец комплектного ГПА. По результатам приемочных испытаний принимается решение о производстве опытной (установочной) партии из трех-пяти агрегатов. Принятие решения о серийном производстве осуществ­ляется на основании всего комплекса испытаний и опытно-промышленной эксплуатации.

Такая практика имеет свои преимущества и недостатки. С одной стороны, потребитель имеет возможность быстрее освоить новый тип ГПА и внести необходимые доработки, а также может рассчитывать на свою долю прибы­ли при поставке оборудования третьей стороне. С другой стороны, потреби­тель имеет существенные издержки, связанные с процессом внедрения агре­гатов нового типа.

Разработанные ГПА нового поколения имеют следующие преимущества:

• приспособленность конструкции к модернизации в зависимости от ти­поразмеров нагнетателей с минимальными затратами в разных вариантах (замена привода, установка на существующие фундаменты в эксплуати­руемых цехах или индивидуальных зданиях, замена блочно-контейнерного ГПА на существующей площадке и др.);

• полную заводскую готовность в блочном исполнении;

• повышенный к.п.д. ГТУ до 37 %;

• унификация приводов и газовых компрессоров, обеспечивающая их ис­пользование в различных комбинациях, а также унификацию с агрегатами для электростанций;

• укомплектованность котлом-утилизатором для теплоснабжения;

• высокую надежность (20-25 тыс. ч - средний ремонт, 40-50 тыс.ч - ка­питальный ремонт);

• экономичность;

• малая металлоемкость;

• улучшение условий труда обслуживающего персонала;

• автоматизация производственных процессов;

• улучшенные экологические характеристики.

Опыт эксплуатации КС в нашей стране не дает однозначного ответа о сравнительных преимуществах авиационного или стационарного промыш­ленного типа ГТУ. Авиационные приводы, имея более высокую топливную экономичность, требуют для ремонтно-технического обслуживания в 2-2,5 раза больше затрат [1, 2, 6, 8, 12, 37, 56, 89, 90, 98].

Базовым типом газового компрессора остается центробежная компрес­сорная машина. Научно-технические достижения компрессоростроения России позволяют создавать нагнетатели, удовлетворяющие самым разно­образным технологическим потребностям газовой промышленности. Ос­новные успехи последних лет: достижение уровня политропного к.п.д. 84-86 % (а в одноступенчатой конструкции и более); создание ряда унифици­рованных конструкций с различным количеством рабочих колес; разработ­ка и реализация целого ряда проектов модернизации эксплуатируемых на­гнетателей, в том числе и с увеличением мощности; высокая отработан­ность масляных уплотнений; создание "сухих" безмасляных уплотнений; массовое внедрение высокоэффективных систем противопомпажного ре­гулирования. В опытно-промышленной эксплуатации находятся нагнетате­ли с магнитными подшипниками.

Усовершенствование агрегатных систем автоматического управления (САУ) предусматривает целый ряд важных особенностей:

• использование микропроцессорных устройств на современной элемен­тной базе;

• сокращение доли пневматических и гидравлических элементов;

• повышение точности датчиков и их вторичных устройств;

• выполнение диагностических функций в составе агрегатной САУ;

• децентрализация агрегатной САУ, которая размещается около ГПА и

по уплотненному каналу связана с системой управления цеха;

• унификация для целей реконструкции и нового строительства.

Газовые турбины относятся к категории достаточно экологически "чис­тых" двигателей, однако уровень концентрации выбросов оксидов азота с продуктами сгорания является важной эксплуатационной характеристикой. К настоящему времени новые поколения ГТУ в основном удовлетворяют требованиям ГОСТ 28775 (концентрация NO_x 150 мг/ м³ в сухих продуктах сгорания при условном содержании кислорода 15 %). Следующая цель - до­стижение концентрации 50 мг/м³, что будет соответствовать лучшим зару­бежным образцам.

По оценке специалистов Газпрома газотурбинные технологии могут раз­виваться по следующим направлениям: газовые турбины простого цикла с дальнейшим повышением его параметров (температуры и давления); газо­вые турбины со сложным циклом (с промежуточным охлаждением и регене­рацией теплоты); газовые турбины комбинированного цикла; газовые турби­ны со смешением рабочих тел (воздух-пар) и др [66, 98, 109].

В настоящее время в газовой промышленности проводится реконструк­ция компрессорных цехов путем замены устаревших газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4 агрегатами нового поколения, например, в ООО «Башт- рансгаз» внедряются ГПА-12(16)Р «Урал» и ГПА-16Р «Уфа» с авиационны­ми двигателями пермского и уфимского производства.

При эксплуатации ГТК-10-4 на собственные нужды расходовалось 130 млн м³ газа. С вводом в строй новых агрегатов при той же производи- Iсльности газопровода потребление топливного газа уменьшается почти вдвое. Это, в свою очередь, способствует улучшению экологической обстановки. До проведения реконструкции агрегаты ГТК-10-4 имели значи­тельную эмиссию вредных веществ в атмосферу (NO_x -350 мг/м³, СО - 90 мг/м³). После внедрения количество вредных выбросов существенно уменьшается и соответствует лучшим мировым достижениям в области транспорта газа (NO_x, - 110 мг/м³, СО - 50 mt/m^j).

Установленная на новых ГПА система автоматики позволяет осуществ­лять управляющие, регулирующие и информационные функции. Наиболее важные из управляющих функций - автоматическая проверка готовности к пуску, автоматический запуск ГПА с загрузкой или без загрузки агрегата в трассу, автоматическая стабилизация заданного режима работы ГПА в уста­новившемся режиме, автоматическая аварийная остановка ГПА при сраба­тывании защиты, антипомпажное регулирование и антипомпажная защита на­гнетателя, дистанционное управление отдельными механизмами ГПА, экст­ренная остановка по команде оператора, поэтапный пуск, автоматическое и дистанционное управление системой пожарозащиты. Также предусмотрена сигнализация о неисправности линий связи, утечке газа, вскрытии автомати­ки, пропадании напряжения.

В соответствии с новыми нормативными документами (НПБ22-96) уси­лена противопожарная защищенность агрегатов. Если раньше на агрегатах ГТК-10-4 требовалось устанавливать одну автоматическую систему пенно­го пожаротушения, то сейчас она дополнена двумя новыми - установкой га­зового пожаротушения, которая подает углекислый газ под кожух, и уста­новкой порошкового пожаротушения, защищающего галерею нагнетателей.

В связи с изменением степени сжатия (переходом на полнонапорную СПЧ) нагнетателей осуществлена их переобвязка путем добавления пере­мычек с кранами с максимальным использованием существующих элемен­тов крановой обвязки. На пусковом контуре агрегатов установлены анти- помпажные клапаны-регуляторы фирмы «Моквелд».

Двигатель AJ1-31СТ Уфимского МПО отличается от пермского не толь­ко конструктивно: пермский (ПС-90ГП) - двухвальный, а уфимский (АЛ- 31СТ) имеет более сложную трехвальную систему роторов. Предваритель­ные испытания ГПА-16Р «Уфа» показали, что он мощнее и экономичнее пер­мского (преимущества трехвальной конструкции), но проигрывает пока по экологичности (выбросы NG_X, шум, тепловыделения).

Двигатель AJ1-31CT имеет непростую историю, которая началась ещё в 1991 году, когда московский НТЦ имени А. Люльки взялся перепрофилиро­вать знаменитый двигатель АЛ-31Ф, устанавливаемый на лучших в своем классе военных самолетах Су-27, для наземного применения в качестве привода газоперекачивающего агрегата. Первые приемочные ис­пытания нового двигателя АЛ-31СТ прошли в 1994 году на компрессорной станции «Карпинская» в ООО «Тюментрансгаз». Затем в декабре 2002-го первый изготовленный ОАО УМПО агрегат ГПА-16Р «Уфа», созданный на базе конвертированного авиадвигателя, был введен на КС-18А'«Москово».

Вторая модификация,|АЛ-31СТН, спроектирована с нижним расположе­нием коробки агрегатов,что автоматически ликвидирует проблему откачки масла. Отказ от приводных насосов, по сравнению с изделием традиционной схемы, позволяет упростить конструкцию, значительно повысить надеж­ность двигателя и обеспечивает удобство обслуживания в эксплуатации. Учитывая, что двигатель изначально спроектирован для наземных агрегатов, в конструкцию заложен гораздо больший ресурс (рис. 1.54).

Третья модификация имеет важное отличие — низкоэмиссионную камеру сгорания. Аналогов такой камеры в России нет. Безусловно, двигатель с этой камерой сгорания дороже; удорожание происходит из-за усложнившейся конструкции, увеличения регулирующей газовой аппаратуры до трех комп­лектов. Первые экземпляры нового оборудования поставлены на «Кировэ- иергомаш» для комплектации ГПА-16 «Нева» (рис. 1.55).

Решение эксплуатировать ГПА разных производителей было принято с целью отработки основных принципов конвертирования двигателей, заклю­чающихся в максимальной унификации приводов для использования в ГПА различных типов, чтобы в дальнейшем обеспечить их взаимозаменяемость, повысить технологичность ремонтов и обеспечить дальнейшее снижение издержек, в том числе на модернизацию.

Наряду с реконструкцией цехов ГПА производится реконструкция меж­цеховых коммуникаций, насосной масел, аварийной дизельной электростан­ции, компрессорной сжатого воздуха, установки подготовки газа, склада ГСМ и других систем (рис. 1.56).

Большой объем работ проводится на самой ответственной, с точки зре­ния аварийности, части компрессорных цехов — трубопроводах «высокой» стороны. Капитальный ремонт предусматривает вскрытие и очистку всех трубопроводов, 100%-й неразрушающий контроль всех сварных швов и ди­агностику тела трубы, ремонт и замену участков трубопроводов по их факти­ческому техническому состоянию и последующее нанесение полиуретано

1.4.5. Основные формулы для расчета параметров КС с ГТУ

При расчете рабочих параметров КС с ГТУ определяют: • приведенные значения заданных параметров; рабочие точки КС на при­веденных характеристиках расчетного элемента (полнонапорный нагнета­тель или группа последовательно включенных неполнонапорных нагнета­телей (на рис. 1.59 представлена схема включения агрегатов));