Методические подходы к исследованию режимов работы газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов

УДК 622.691.4.052
Ферзиллаев В. И., Чекардовский С. М.
Методические подходы к исследованию режимов работы
газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Современный магистральный транспорт природного газа характеризуется
широким
использованием
газотурбинной
техники
в
качестве
привода
газоперекачивающих агрегатов (ГПА). В статье представлен методический материал,
составленный на основе опыта проведения исследований таких установок, как в
условиях ремонтного завода, так и на компрессорных станциях магистральных
газопроводов. Проблема исследования режимов работы двухвальных и трехвальных
газотурбинных установок (ГТУ) заключается в ограниченных возможностях штатной
измерительной аппаратуры и различии схем измерения. В статье предложены
методические подходы и алгоритм подбора расчётных уравнений для повышения
достоверности диагностирования технического состояния ГТУ ГПА.
Modern main transport of natural gas is characterized by the wide use of gas turbine
technology as a drive for gas pumping units. The article presents the methodological material,
compiled on the basis of the experience of conducting research of such installations, both in
the conditions of the repair plant, and at the compressor stations of main gas pipelines. The
problem of studying the operating modes of two-shaft and three-shaft gas-turbine drives lies
in the limited capabilities of the standard measuring equipment and the difference in
measurement schemes. The article proposes methodological approaches and an algorithm for
selecting calculated equations to increase the reliability of diagnosing the technical state of
gas turbine units of gas pumping units.
Ключевые слова: привод газотурбинной установки, режим работы,
газотурбинный двигатель, эффективная мощность, эффективный коэффициент
полезного действия.
Key words: gas turbine drive, mode of operation, gas turbine engine, effective power,
effective efficiency.
Для оперативного контроля и регулирования параметров режима
работы газотурбинных установок (ГТУ), оценки проведенных
мероприятий по монтажу, ремонту или сокращению расходов топливного
газа и выбросов вредных веществ в атмосферу необходим мониторинг
эффективной мощности и энергетического КПД ГТУ.
Использование метода, дающего возможность быстро и эффективно
определять показатели режима работы ГТУ, позволило бы рационально
подбирать технологические режимы газотурбинных установок. Для
определения энергетических показателей работы ГТУ в условиях
эксплуатации в настоящее время используются следующие расчётноэкспериментальные методы, разработанные в ведущих научноисследовательских и проектно-конструкторских организациях (ООО
«Газпром ВНИИГАЗ», ОАО "Оргэнергогаз", ФГБОУ ВО ТИУ и т.д.):
- по «тепловому балансу»;
- по «мощностному параметру» ГТУ;
- по измеренному расходу тепла (расход топлива определяется по
индивидуальной расходомерной диафрагме агрегата);
- по расходу воздуха двигателем (расход определяется по перепаду
давлений на конфузоре осевого компрессора или трубками ПитоПрандтля);
- «заводскими» методами - для ГТУ авиационных типов (по
прилагаемой заводом-изготовителем математической модели);
- по давлению за осевым компрессором;
- по электрической мощности генератора.
Большая часть методов исследования режимов работы ГТУ,
различаются способами определения эксплуатационной мощности, имеют
различные алгоритмы расчета коэффициента полезного действия и
соответственно имеют свои достоинства и недостатки [2, 3, 4]. В основном
к недостаткам относится жесткая привязка к типам ГТУ и его заводским
характеристикам – значительно изменяющимся в процессе эксплуатации, а
достоинством простота применения и минимальное количество требуемых
исходных данных.
Согласно описанным выше достоинствам и недостаткам
существующих методик и условий эксплуатации ГТУ энергетических
установок были сформулированы принципы разработки методических
подходов для исследования режимов работы ГТУ. Эти принципы должны
обеспечивать универсальность по отношению к однотипным ГТУ,
независимость результатов от технического состояния и минимизировать
количество дорогостоящих дополнительных средств измерения:
1. Универсальность, т.е. применение ко всем трехвальным и
двухвальным (с регенератором и без) ГТУ;
2. Использование только измеренных во время эксплуатации данных
о режиме работы;
3. Повышение точности результирующих параметров с увеличением
объема измерений;
4. Обеспечение контроля параметров режима работы ГТУ в реальном
режиме времени с учетом изменения условий эксплуатации;
5. Минимизация дополнительных средств измерения для получения
исходных данных, без снижения информативности.
Отвечающих этим принципам методик на сегодняшний день не
существует.
Для реализации многих методик определения КПД ГТУ необходима
установка дополнительных приборов измерения параметров рабочего тела.
Применение в расчетах такого показателя, как мгновенный расход
топливного газа, делает расчет КПД для отдельной турбины
затруднительным, так как зачастую учет расхода топливного газа ведется
приборами учета расхода газа, установленных в блоке подготовки
топливного газа, который является единым на группу ГТУ. Использование
большого числа различных приборов измерения вводит дополнительные
погрешности в результаты расчетов.
Рис. 1. Принципиальная схема двухвальной ГТУ с регенератором - а) и без
регенератора - б)
ОК - осевой компрессор; ТВД - турбина высокого давления; ТНД -турбина низкого
давления; Н - нагнетатель; Р - регенератор; КС - камера сгорания
Объектом исследования являются двухвальные и трехвальные ГТУ
со свободной силовой турбиной (рис. 1а, 1б, 2а, 2б). Некоторые типы
установок также могут включать в себя системы регенерации тепла в
цикле ГТУ или системы утилизации тепла на собственные нужды станции
(рис. 1а и 2а). Для сбора данных по штатной аппаратуре следует
пользоваться протоколами сменных журналов и электронной базой данных
в системе автоматизированного управления (САУ), если необходимая
информация отсутствует в протоколах.
Рис. 2. Принципиальная схема трехвальной ГТУ с утилизатором – а) и без
утилизатора - б)
КС – камера сгорания; КНД- компрессор низкого давления; КВД – компрессор высокого
давления; ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления; СТ –
силовая турбина; У- утилизатор; П – потребитель мощности
Схемы, представленные на рис. 1 и 2 описывают состав двухвальной
и трехвальной ГТУ, где основное отличие заключается в том, что в
трехвальной ГТУ газогенератор представляет собой двухкаскадный блок,
состоящий из двух компрессоров и двух турбин, причем турбина высокого
давления жестко соединена с компрессором высокого давления, а турбина
низкого давления жестко соединена с компрессором низкого давления. Вал
турбины высокого давления конструктивно выполнен полым, в нем
свободно на подшипниках вращается вал турбины низкого давления.
Между
двумя
каскадами
газогенератора
существует
только
газодинамическая связь.
После заполнения таблицы исходных данных, следует привести
данные к расчётному виду, т.е. вычислить среднеарифметические значения
повторяющихся замеров и представить в размерностях системы СИ.
Алгоритм расчёта параметров рабочего тела по газовоздушному
тракту ГТУ основан на применении зависимостей изменения
термогазодинамических параметров рабочего тела и определении
энергетических параметров отдельных узлов ГТУ на основе показаний
штатно применяемых приборов. В алгоритм расчёта входят следующие
элементы:
1. Расчёт свойств топливного газа.
2. Расчет температуры воздуха за осевым компрессором.
3. Расчет КПД процесса сжатия в осевом компрессоре ГТУ.
4. Расчет удельных термодинамических работ компрессора и
турбины высокого давления.
5. Расчет температуры продуктов сгорания за камерой сгорания (КС).
6. Расчет расхода воздуха через компрессор и мощностей осевого
компрессора (ОК) и турбин газогенератора (ТГГ).
7. Расчёт мощности силовой турбины (СТ) и эффективной мощности
ГТД.
8. Расчет тепловой мощности камеры сгорания.
9. Расчет эффективного КПД ГТУ.
Для обеспечения универсальности, выбора рациональных методик и
минимизации использования дорогостоящих дополнительных средств
измерения разработаны методические подходы:
1) комплектование методики из существующих методических
разработок для расчёта конкретных параметров с минимальным
количеством требуемых исходных данных (только расчёт Ne, ηe или расчёт
диагностических показателей по газовоздушному тракту ГТУ);
2) минимизация использования справочных и заводских данных;
3) цифровизация измерений и расчетов в режиме реального времени;
4) учёт атмосферных условий, состава газа, технического состояния;
5) замена трудноизмеряемых параметров данными полученными
расчётными способами.
Подбор уравнений для комплектования методики осуществляется по
следующему алгоритму:
а) выбор зависимостей, дающие требуемый результат с наименьшим
количеством параметров и с наибольшим количеством измеряемых данных
(удовлетворяющих по точности);
б) определение неизвестных параметров;
в) подбор зависимостей для неизвестных параметров как в п. а);
г) формирование списка исходных данных и последовательности
расчетов.
В качестве примера реализации первого пункта можно взять
нахождение эффективной мощности газоперекачивающего агрегата ГТК10-4 по четырем методикам:
1) по методу Шабарова А. Б.
Ne  LT  (Gm  GB ) M  LK  GB ,
(1)
2) по методу Степанова О. А., Чекардовского М. Н., Чекардовского
С. М.
N e  M ПС  СРПС  (Т `S TS ) ,
(2)
3) по методу Поршакова Б. П., Лопатина А. С.
 h 
Ne   bj 

 60 
j 1
n
j 1
3
 n 
  N м ех ,
  нагн  
 nном 
(3)
4) по методу Чекардовского С. М.
3
 n 
N e  N eном  
 .
 nном 
(4)
Согласно методическому подходу самым лучшим методом с точки
зрения минимизации количества параметров и наличия измеряемых
данных является метод 4, где для подсчета эффективной мощности
требуется только измерение частоты оборотов ротора турбины низкого
давления, данные по номинальной частоте вращения ротора ТНД и
номинальной эффективной мощности ГТУ.
Использование данных, полученных во время эксплуатации,
повышает достоверность находимых параметров ГПА, а также дает
качественную оценку состояния оборудования. При расчете показателей
фактического технического состояния не рекомендуется использовать
параметры из формуляра ГТУ (заводские данные).
Повышение точности результирующих параметров с увеличением
объема измерений осуществляется с помощью систем автоматического
мониторинга параметров ГПА в режиме реального времени, которые
можно установить на каждой стации КС.
Для обеспечения достоверности результирующих параметров, и
возможности сравнения с паспортными данными необходимо
использовать уравнения привидения.
Определение приведенных частот
вращения роторов КВД:
Определение приведенной
температуры воздуха (газов):
nпр  nизм   .
Т пр  Т изм   2 .
(5)
Определение приведенного
избыточного статического давления:
Pпр  Ризм   .
(6)
Определение массового приведенного
расхода топливного газа:
GТГпр  GТГизм     .
(8)
Определение приведенной
плотности газов:
 пр  изм    .
(9)
Определение массового приведенного
расхода воздуха:
GВпр  GВизм    .
(7)
(10)
Определение приведенной мощности ГТД:
N ПР  N    .
(11)
Где  – коэффициент приведения по температуре атмосферного воздуха, β –
коэффициент приведения по атмосферному давлению.
Уравнения по определению свойств воздуха, топливного газа,
газовоздушной смеси после камеры сгорания [3, 5] обеспечивают
возможность учета изменения свойств, при движении газов по
газовоздушному тракту.
Для минимизации дополнительных измерений и обеспечения
цифровизации используются аппроксимация таблиц и графиков, как
показано на рис.3.
Истинная удельная теплоемкость
воздуха (=):
200КТ800К; К Т 
T  200
600
;
2
С р  1,006  0,032  К Т  0,064  К Т (12)
800К<Т1600К; К Т 
T  800
800
2
С р  1,102  0,176  КТ  0,056  КТ
;
(13)
Рис. 3. Истинная удельная теплоемкость Ср продуктов сгорания при различных
коэффициентах избытка воздуха α в графическом и расчетном виде
Таким образом, в ходе научного исследования, были разработаны
методические подходы по рациональному комплектованию методик для
расчета термодинамических показателей ГПА, дающие возможность
оперативно и достоверно определять показатели режима ГТУ и проводить
своевременно мероприятия по техническому обслуживанию, ремонту или
сокращению расходов топливного газа и выбросов вредных веществ в
атмосферу. Разработан алгоритм подбора уравнений, позволяющий
цифровизировать расчеты и минимизировать количество измерительных
операций. Получаемый в результате применения методических подходов и
алгоритма подбора уравнений состав исходных данных, и методика
расчёта могут быть применены к любому ГТУ рассматриваемых типов, что
определяет универсальность разработки.
Список литературы
1.
Поршаков Б. Н., Бикчентай Р. Н., Романов Б. А.
Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и
газовой промышленности). - М.: Недра, 1987 - 351 с.
2.
Чекардовский М. Н. Методология контроля и диагностики
энергетического оборудования системы теплогазоснабжения. – СПб.: ООО
«Недра», 2001. –145с.
3.
Чекардовский М.Н., Чекардовский С.М., Илюхин К.Н. и др.
Сравнительный анализ методик определения термогазодинамических
параметров работы газоперекачивающих агрегатов. // Сб. докл. научн. –
практ. конф., посвященной 30летию ТюмГАСА. – М: 2001. С. 459 – 472.
4.
Чекардовский С.М., Борисов А. Ю. Развитие методов анализа
энергоэффективности основного оборудования газокомпрессорных
станций. Нефтегазовый терминал выпуск 7: сборник научных статей
памяти профессора Н. А. Малюшина; под. общ. ред. Земенкова Ю. Д..
Тюмень, 2015. – 304 с. С. 24-26.
5.
Шабаров А. Б., Шалай В. В., Акулов К. А., Чекардовский С.М.
Устройство и эксплуатация газотурбинных установок: учебное пособие.
Под. общ. ред. Земенкова Ю. Д. Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. – 434 с.