Повышение эффективности работы приводных стационарных газотурбинных установок в условиях эксплуатации ООО «Газпром трансгаз Югорск»

Общество с ограниченной ответственностью «Газпром трансгаз Югорск» является крупнейшим в структуре ОАО «Газпром» и в мире газотранспортным предприятием, эксплуатирующим 219 компрессорных цехов с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами. Суммарная установленная полезная мощность 1165 ГПА — 15 757 МВт, что составляет около трети всей установленной мощности ОАО «Газпром».

Парк газоперекачивающих агрегатов предприятия очень неоднороден как по типу ГПА (30 различных модификаций), так и по выработанному суммарному ресурсу приводов, который достигает для некоторых ГТУ 200 тыс. часов. В составе парка приводных установок около 50% - это ГТУ отечественного и зарубежного производства общепромышленного типа (стационарные), установленные в основном в 70−80-х годах прошлого века с наработкой около 100 тыс. часов либо значительно превышающей назначенный суммарный ресурс. Например, средняя наработка для 305 ГТУ агрегатов типа ГТК-10−4 составляет 125 тыс. часов, 63 агрегатов ГТК-25И различных модификаций — 90 тыс. часов, 58 ГТУ типа ГТН-16 — 87 тыс. часов.

Согласно основным положениям Концепции реконструкции объектов газотранспортной системы ОАО «Газпром» на период 2011;2015 гг. [40], в числе других особенностей подотрасли «транспорт газа» отмечаются следующие:

— дальнейшее моральное и физическое старение объектов транспорта газа, в том числе превысивших нормативный срок полезного использования;

— возрастание роли энергосбережения в рамках государственной стратегии;

— возрастание факторов технической безопасности и риска.

Реализация программ реконструкции компрессорных цехов с агрегатами различных типов, разрабатываемых в ООО «Газпром трансгаз.

Югорск", в значительной степени зависит от стабильности их финансирования, но сроки замены физически и морально устаревших приводных ГТУ на более совершенные, в основном конвертированные транспортные ГТД, существенно отстают от темпов «старения» эксплуатируемых ГТУ.

С увеличением наработки приводов снижается располагаемая мощность ГТУ и повышается расход топлива относительно паспортных значений. Для агрегатов типа ГТК-10−4 полезная мощность в среднем по парку снижена на 20% при увеличенном расходе топливного газа на 5−10%.

Помимо факторов, обусловленных большой наработкой ГТУ стационарного типа, при длительной эксплуатации в результате принятия различных инженерных решений при строительстве объектов, и реализации мероприятий по ремонтно-техническому обслуживанию и реконструкции компрессорных цехов накоплено многообразие основных и вспомогательных систем ГПА, что также приводит к отклонению (зачастую ухудшению) основных характеристик ГТУ.

Начиная с начала 2000;х годов в ООО «Газпром трансгаз Югорск» увеличилось количество аварийный ситуаций (остановов) ГТУ типов ГТК-10−4 и ГТК-25И из-за неустойчивой работы (и помпажа) осевого компрессора, в том числе с разрушением его проточной части. Для агрегатов типа ГТН-16 отмечается резкое падение вырабатываемой мощности на частичных режимах и при ухудшении технического состояния ГТУ.

Поэтому в рамках настоящей работы особое внимание уделено разработке и реализации в условиях эксплуатации мероприятий для максимально эффективного использования ГТУ общепромышленного типа в части вырабатываемой полезной мощности, экономичности и безаварийной работы.

Цель работы: повышение эффективности работы ГТУ общепромышленного типа в условиях эксплуатации газотранспортного предприятия ООО «Газпром трансгаз Югорск» на основе современных возможностей, знаний и достижений в области экспериментальных исследований и методов численных исследований с применением современных программных средств.

Для достижения указанной цели в ходе исследований поставлены и решены следующие основные задачи:

• Исследование причин недостаточной газодинамической устойчивости осевых компрессоров ГТУ типа ГТК-10−4 в различных условиях эксплуатации;

• Разработка метода проведения в условиях эксплуатации экспериментальных исследований с целью определения срывных и неустойчивых режимов работы и регистрации срывных явлений в проточной части осевых компрессоров стационарных ГТУ;

• Исследование влияния конструктивных особенностей системы воздухозабора и воздухоподготовки (КВОУ) на запас газодинамической устойчивости (ГДУ) осевых компрессоров ГТУ;

• Численное исследование процесса сжатия воздуха в проточной части ОК ГТУ ГТК-10−4 и верификация численного метода на основе экспериментальных данных. Уточнение физической картины обтекания лопаточных венцов ОК ГТУ ГТК-10−4 на номинальном и переменных режимах работы;

• Реализация и апробация способа повышения эффективности работы ГТУ типа ГТН-16 в условиях эксплуатации.

Научная новизна полученных результатов. 1. Предложен, обоснован и разработан метод проведения специальных экспериментальных исследований в условиях эксплуатации, направленных на определение неустойчивых режимов работы осевого компрессора ГТУ и регистрацию срывных явлений в проточной части ОК. На основании разработанного метода обоснованно определены границы газодинамической устойчивости работы осевого компрессора ГТУ ГТК-10−4.

2. Установлены причины появления срывных явлений в проточной части ОК на основании численного исследования процесса сжатия воздуха в ОК ГТУ типа ГТК-10−4. Уточнена физическая картина течения воздуха в проточной части компрессора.

3. Установлено влияние конструктивных характеристик системы воздухоподготовки и воздухоочистки ГТУ на запас ГДУ ОК на основе численных и экспериментальных исследований.

4. Предложен и обоснован способ повышения эффективности работы ГТУ типа ГТН-16 с учетом эксплуатационных факторов за счет перераспределения работы расширения продуктов сгорания между турбинами высокого и низкого давления путем раскрытия лопаток соплового аппарата (СА) ТНД.

Практическая значимость заключается в следующем:

1. Апробирован метод проведения специальных экспериментальных исследований по выявлению и регистрации срывных и неустойчивых режимов работы ОК ГТУ в условиях эксплуатации;

2. Установлены границы газодинамической устойчивости осевого компрессора ГТУ типа ГТК-10−4 с внесением соответствующих ограничений по приведенной относительной частоте вращения ротора ОК в систему управления ГТУ для предотвращения срывных режимов его работы и помпажа;

3. Определены «узкие» места в конструкции лопаточного аппарата ОК ГТУ ГТК-10−4 и показаны перспективы его совершенствования;

4. В условиях эксплуатации апробирован способ повышения эффективности работы ГТУ типа ГТН-16. Проведены работы по изменению угла установки лопаток СА ТНД с целью перераспределения работы расширения в турбине. Подтверждено повышение вырабатываемой мощности ГТУ на 4%.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена:

— хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных и сходимостью их с результатами численных исследований;

— совпадением результатов экспериментальных работ с теоретическими представлениями и опытными данными по теме исследований других авторов;

— тем, что основные результаты прошли промышленную апробацию и уже использованы для повышения эффективности эксплуатации стационарных ГТУ ООО «Газпром трансгаз Югорск» и предотвращения аварийных ситуаций на компрессорных станциях;

— использованием в работе современных, апробированных и научно обоснованных программ и методик на основе численного трёхмерного анализа течений в каналах и лопаточных аппаратах турбомашин.

Личный вклад соискателя заключается в постановке целей и задач исследования, научно-техническом обосновании положений, выносимых на защиту, участии в разработке метода проведения специальных экспериментальных исследований осевого компрессора ГТУ в условиях эксплуатации, анализе структурного и технического состояния парка газотурбинных ГПА ООО «Газпром трансгаз Югорск» и обобщении результатов проведения экспериментальных и численных исследований, а также в реализации и апробации способа повышения эффективности работы ГТУ типа ГТН-16.

Автор защищает следующие основные положения:

• Метод проведения специальных экспериментальных исследований ОК стационарных ГТУ в условиях эксплуатации с целью определения и регистрации срывных и неустойчивых режимов его работы;

• Результаты численных и экспериментальных исследований процесса сжатия воздуха в ОК ГТУ ГТК-10−4 и влияния конструктивных особенностей КВОУ на запас ГДУ ОК;

• Результаты реализации и апробации способа повышения эффективности работы ГТУ ГТН-16 за счет перераспределения работы расширения в турбине раскрытием лопаток СА ТНД.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, были представлены и обсуждались:

• на ЬП научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Самара, 2005);

• X, XI, XII, XIII, XIV, XV Международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010);

• III и IV Международных научно-технических конференциях «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (г. Москва, 2009, 2011).

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы прошли промышленную апробацию и используются в ООО «Газпром трансгаз Югорск» при эксплуатации и ремонтно-техническом обслуживании стационарных ГТУ. Также отдельные результаты работы используются в научно-исследовательской деятельности и в учебном процессе подготовки специалистов, бакалавров и магистров кафедры «Турбины и двигатели» УрФУ.

Публикации. По теме повышения эффективности работы ГТУ опубликовано 23 работы, из них 5 статей в реферируемых изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 87 наименований. Работа изложена на 130 страницах, содержит 53 рисунка и 13 таблиц.

Основные результаты диссертации изложены в следующих научных работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Влияние геометрических параметров первой ступени осевого компрессора на диапазон и эффективность ее регулирования / Б. С. Ревзин,.

A.О. Прокопец, A.B. Рожков // Компрессорная техника и пневматика. 2006. № 11. 5 с.

2. О рациональности конструкторских решений по регулируемому входному направляющему аппарату компрессора ГТУ / Б. С. Ревзин, В. А. Седунин, А. П. Парамонов, А. О. Прокопец // Тяжелое машиностроение. 2009. № 4. С. 7−9.

3. Проектирование первой ступени осевого компрессора ГТУ, работающей с регулируемым входным направляющим аппаратом / Ю. М. Бродов, О. В. Комаров, В. А. Седунин, А. О. Прокопец // Компрессорная техника и пневматика. 2011. № 3. С. 9−12.

4. Вариантные расчеты первой ступени осевого компрессора ГТУ с регулируемым входным направляющим аппаратом / Ю. М. Бродов, О. В. Комаров, В. А. Седунин, А. О. Прокопец // Компрессорная техника и пневматика. 2011. № 4. С. 29−32.

5. Совершенствование лопаточного аппарата осевого компрессора газотурбинных установок / А. О. Прокопец, Ю. М. Бродов, О. В. Комаров,.

B.А. Седунин // Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 29−35.

Работы по теме диссертации, опубликованные в других изданиях:

6. Исследование режимов работы осевого компрессора модернизированного газоперекачивающего агрегата мощностью 25 МВт / А. О. Прокопец [и др.] // Десятый международный симпозиум «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования — 2004»: сб. науч. тр. Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2004. С. 137−141.

7. О причинах возникновения и методе диагностирования вращающегося срыва при модернизации стационарных ГТУ / А. О. Прокопец [и др.] // Вестник УГТУ-УПИ: Теплоэнергетика. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. С. 300−305.

8. Противодействие развитию вращающегося срыва в осевом компрессоре модернизированных ГТУ / C.B. Алимов, А. О. Прокопец // LII науч.-техн. сессия по газовым турбинам: сб. тез. Самара, 2005. С. 197−198.

9. Повышение эффективности работы стационарных приводных газотурбинных установок в условиях эксплуатации ООО «Газпром трансгаз Югорск» / А. О. Прокопец, Ю. М. Бродов, О. В. Комаров, A.B. Скороходов // IV Международная конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2011)», Москва, 26−27 октября 2011 г.: тез. докл. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011.С. 122.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложена, обоснована и апробирована методика проведения специальных испытаний осевых компрессоров стационарных ГТУ в условиях эксплуатации с целью определения и регистрации срывных и неустойчивых режимов работы ступени и компрессора путем измерения пульсации давления воздуха над рабочими лопатками одной или нескольких ступеней. На основании разработанной методики проведены специальные испытания ОК ГТК-10−4 в Лонг-Юганском ЛПУ МГ с целью определения срывных и неустойчивых режимов работы ОК и регистрации срывных явлений. Получены данные по 21 эксперименту, на 5 из которых были зарегистрированы срывные явления в проточной части компрессора.

2. Определено, что запас по газодинамической устойчивости ОК ГТК-10−4 в области высоких частот вращения ротора ТК существенно снижен. Для той части парка ГПА типа ГТК-10−4 ООО «Газпром трансгаз Югорск», где регистрировались АО по причине помпажа осевого компрессора, предложено внести ограничения в САУ ГПА по приведенной относительной частоте вращения ротора турбокомпрессора с целью исключения работы ОК на режимах, характеризующихся недостаточным запасом его ГДУ.

3. Разработан и реализован алгоритм расчётного исследования реального газотурбинного оборудования средствами современных программных комплексов вычислительной газовой динамики, что позволило уточнить физическую картину течения в осевом компрессоре и воздухозаборном устройстве газоперекачивающего агрегата ГТК-10−4. Верифицирован метод проведения расчётного исследования многоступенчатого компрессора на основании сопоставления расчётных данных с результатами испытаний натурной ГТУ в Лонг-Юганском ЛПУ МГ.

4. Расчётное исследование подтвердило наличие проблемных зон в проточной части компрессора, связанных с плохой согласованностью отдельных ступеней. Показано, что рабочая точка осевого компрессора, соответствующая режиму работы сети, а именно — сопротивлению на входе (КВОУ), и сопротивлению на выходе (регенератор и сопловой аппарат турбины) — находится в недопустимой близости от границы устойчивости. В большинстве случаев запас ГДУ, рекомендуемый для стационарных компрессоров более 20%, на исследуемом агрегате составляет менее 5% при приведенной частоте вращения ротора ОК близкой к номинальной. Расчетным методом подтверждено, что при повышении приведенной частоты вращения до 1,05 от номинальной последние ступени компрессора (а именно ступени № 7, 8, 9 и 10) работают в области недопустимо больших углов атаки, и в этих ступенях имеют место отрывные течения.

5. Установлены и показаны причины недостаточного запаса ГДУ в части особенностей профилирования лопаток ступеней компрессора. Созданы предпосылки для выполнения работ по совершенствованию конструкции лопаточного аппарата ОК с целью увеличения его экономичности и газодинамической устойчивости.

6. Установлено негативное влияние работы комплексного воздухоочистительного устройства штатной конструкции на запас по устойчивости осевого компрессора ГТК-10−4 при неблагоприятных атмосферных условиях (ветер, снег и др.) и работе ГТУ на режимах, характеризующихся приведенной частотой вращения ротора ТК близкой к номинальной. Зарегистрированы колебания во времени расхода воздуха через ОК при проведении испытаний до ±4% при непогоде. Проведено расчётное исследование работы воздухозаборного устройства различных конструкций. Расчётным образом получено и подтверждено по результатам испытаний, что при сильном боковом ветре в ВЗУ штатной конструкции наблюдаются пульсации расхода, связанные с появлением устойчивых вихрей в камере ВЗУ. Подтверждена целесообразность выполнения боковых окон в камере ВЗУ штатной конструкции КВОУ ГТК-10−4 для стабилизации потока и снижения пульсаций давления на входе в осевой компрессор при неблагоприятных погодных условиях. Также подтверждена эффективность работы ВЗУ новой конструкции КВОУ производства ОАО «35-й Мехзавод».

7. Проведен анализ геометрических и газодинамических характеристик двухступенчатой ТВД и одноступенчатой ТНД ГТУ типа ГТН-16. Отмечено сильное влияние характеристического параметра и/сад на значение внутреннего КПД высоконагруженной первой ступени турбины высокого давления, предопределяющее существенное снижение полезной мощности и эффективного КПД ГТУ на переменных режимах и при снижении технического состояния установки.

8. Реализован и апробирован способ повышения эффективности эксплуатации ГТУ ГТН-16 за счет перестановки лопаток СА ТНД в сторону раскрытия, обеспечивающий перераспределение теплоперепада между отсеками турбины. Рассчитан рекомендуемый угол установки сопловых лопаток ТНД, который составил 43°23, что на 2° больше штатного положения С Л турбины низкого давления. Проведена серия теплотехнических испытаний ГТУ типа ГТН-16 в условиях эксплуатации: со штатным положением лопаток СА ТНД и после изменения их угла установки согласно выработанным рекомендациям. Подтверждена эффективность способа повышения фактической эффективной мощности ГТУ за счет изменения угла установки СЛ ТНД: полезная мощность увеличивается минимум на 4%, эффективный КПД при номинальных значениях основных параметров для исследованной ГТУ составил 27,1%.