RU2013613C1 - Gas-turbine plant - Google Patents

Abstract

FIELD: gas-turbine drives. SUBSTANCE: gas-turbine plant has main and auxiliary compressed-air accumulators. Auxiliary accumulator is installed upstream of exhaust stage of multistage compressor; main-accumulator compressor is connected at its exit to combustion chambers of power turbines and drive. EFFECT: improved design. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинного привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов. The invention relates to the field of gas turbine drive of gas pumping units (GPU) at compressor stations (CS) of gas mains.

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] . Known gas turbine installation (GTU) for the drive of gas pumping units, installed in the compressor department of the compressor station of the main gas pipeline, containing mechanically interconnected centrifugal gas supercharger (CBN), axial compressor (OK) and starting device (PU) [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. The main disadvantages of such an installation are its dimensions (length 15–20 m, width 5–6 m, height 4–5 m), as well as great bulkiness (mass of gas turbines up to 100–130 t and more), the need for this installation in heavy machines lifting equipment for the dismantling of gas turbines during their repair, the inevitable simultaneous depressurization of both the axial compressor and the gas turbine itself when removing the upper half of the casing common to them if it is necessary to repair only one of these two units. High noise levels have an extremely negative effect on operating personnel due to local air intake for each unit, as well as heat generation in engine rooms with similar gas turbines.

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] . A gas turbine installation is more perfect, in which the GTU units traditionally communicated to each other by a common shaft are divided into two autonomous operating systems — a gas turbine with a gas supercharger itself and an electric air compressor communicated by an air duct through a receiver with a gas turbine combustion chamber [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. However, this installation also has drawbacks in that the installation of all units on the same site (in the same workshop) does not provide reliable safety for maintenance personnel specialized in the operation of units that are so different in type of drive and purpose, does not exclude the possibility of errors when servicing these units due to the need to use specialized tools and equipment for a particular unit in one workshop.

Кроме того, использование в качестве привода воздушного компрессора электродвигателя усугубляет перечисленные недостатки, повышает громоздкость и размеры конструкции, увеличивает ее стоимость. In addition, the use of an electric motor as an air compressor aggravates the above disadvantages, increases the bulkiness and size of the structure, and increases its cost.

Цель изобретения - разработка такой газотурбинной установки для привода газоперекачивающих агрегатов на КС магистральных газопроводов, которая позволила бы исключить перечисленные выше недостатки. The purpose of the invention is the development of such a gas turbine installation for driving gas pumping units at the compressor station of the main gas pipelines, which would eliminate the above disadvantages.

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. This goal is achieved by the fact that a gas turbine with a centrifugal gas supercharger and an air compressor (cyclic air compression unit) are installed in different workshops, and turbines similar in design to the power turbines of the compressor shops, which are provided with cyclic air from a single unit, are installed as an air compressor drive for the entire industrial site of the KS duct system.

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. To reduce the power consumed for compression of cyclic air, which in traditional gas turbines is up to 65-70% of the power of a gas turbine, in the proposed installation, after each selected stage of air compressors, in addition to the last one, installations are provided for intermediate air cooling, and for smoothing ripples with adjustable air sampling for an arbitrary number of operating gas turbines behind the last stage of the compressors provides an air accumulator in the form of a distributing pipe-receiver. This receiver pipe is oversized in such a way that it creates an irreplaceable supply of cyclic air, which would ensure the stable operation of all compressor shops of the compressor station for the time necessary to eliminate any unforeseen malfunctions in the operation of the air compressor shop.

На фиг; 1 показана схема трехцеховой КС при традиционном исполнении ГТУ; на фиг. 2 - то же, при использовании ГТУ "ПРЮНК". In FIG. 1 shows a diagram of a three-shop compressor station in the traditional design of a gas turbine; in FIG. 2 - the same when using GTU "PRYUNK".

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). In FIG. 1, as an example of a multi-line main gas pipeline, a three-line gas pipeline 1 is shown, gas is pumped through a three-workshop compressor station with linear cranes 2 closed in the area of each workshop. Five gas turbine gas compressor units are installed in each compressor department (CC) of this compressor station, of which in design practice, three are working, and two are standby (dimensions KC 2 and 3 are shown conditionally by a dotted line).

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). Gas-pumping centrifugal superchargers (CBN) 3 are located in the gallery of superchargers 4, separated by a firewall 5 from the engine room 6. Each gas turbine unit 7 for driving the central pulser, in the design accepted for the main gas pipelines, combines a gas turbine (GT), a combustion chamber in one unit (KSG), axial compressor (OK) and starting device (PU). The air intake of each gas turbine is carried out autonomously through air intake chambers (VZK) 8 installed outside the machine room, next to which smoke tubes 9 are placed, through which the products of combustion worked out in a gas turbine are discharged (gas exhaust pipelines are not shown in this diagram).

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). When using PRYUNK gas turbine units, compact gas turbines without axial compressors or starting devices are placed in the engine room 10 of significantly smaller sizes (Fig. 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. Compression and supply of cyclic air to the combustion chambers of gas turbines is carried out by a system of air compressors (VK) 11 located in a separate workshop, including in this example three distinguished compression stages - the first 12, second 13 and third 14 with intermediate air cooling between stages I-II and II-III in cooling units 15 (for simplicity, each compression stage is represented in this diagram by one air compressor.

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. The air compressors are driven by gas turbines 16, similar in design to the power gas turbines of the main compressor shops and provided with cyclic air from a single air supply system for the entire industrial site of the compressor station.

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. To smooth out irregularities in the selection of cyclic air as a result of starting or stopping individual gas turbines, as well as to create a certain minimum supply of compressed air for stable operation of the compressor between the II and III compression stages, an air accumulator is provided in the form of a receiver pipe 17, and between the III stage and directly by the machineries of all the main compressor shops and the three steps of the air compressor shop — the dispensing pipe-receiver 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. On the pipelines 19 for supplying cyclic air directly to the combustion chambers of gas turbines, control valves 20 are installed to double control the process of formation of the fuel mixture — by dosing the supply of cyclic air along with the traditional dosing of the fuel supply. On smoke tubes 21 GTU "PRYUNK" installed heat regenerators 22 for additional heating of cyclic air, as well as fuel gas. Air intake by the first stage of air compressors is carried out through a group air intake chamber 23. The exhaust flue products are removed from gas turbines 16 to smoke tubes 21 through gas ducts 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. In order to increase the stability of the operation of the system for providing power turbines with cyclic air, a bypass 25 is provided between the receiver pipes 17 and 18, on which a shut-off valve 26 is installed.

Газотурбинная установка работает следующим образом. Gas turbine installation operates as follows.

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. GTU "PRYUNK" is launched without the use of special starting devices by controlled supply of air and fuel directly to the combustion chamber of the launched turbine and untwisting it to full idle speed, which is easily feasible if there is a constant supply of compressed air in the receiver pipe 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. For the initial start-up of air compressors 11 of the first compression stage, the annular pipe-receiver 18 after the construction of the compressor station is filled with compressed air using a mobile compressor unit (not shown). After that, the air compressors of the first stage of compression are alternately started, then the second and last of the third stage. From this moment, the compressor station is ready for operation - in the main compressor workshops any required number of gas pumping units can be started and turned on under load.

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. The presence of two pipelines-receivers 17 and 18 allows, if necessary, to repair one of them with the subsequent restoration of the normal operating mode of the compressor due to the air supply in the second pipeline-receiver, which can be bypassed from one receiver to another bypass 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). The advantages of the proposed design of a gas turbine installation. The power of gas turbines of the STP "PRYUNK" on the shaft for the drive of the pulp and paper mill will increase by at least 2.5-3 times with a decrease in their weight by 5-6 times. This will allow, while maintaining the existing power range of the pulp and paper mill at 6-10-16-25 MW, to drastically reduce the dimensions and weight characteristics of gas turbines. This will make it possible: to refuse insufficient qualified repair of gas turbines at the place of their installation at the compressor station and proceed to block replacement of defective turbines in a matter of hours directly in the workshop with subsequent repair of turbines in specialized factory conditions; sharply reduce the level of redundancy of gas compressor units at compressor stations from currently accepted 50-67% to 10-15% (in Fig. 2, the number of backup units in CC No. 1 is reduced to one instead of two, CC No. 2 and No. 3 may not have reserve GPU, since one backup unit in this case is enough for the entire compressor station as a whole).

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. Autonomous compression of cyclic air can significantly reduce the energy intensity of this process due to the introduction of intermediate air cooling between the individual selected compression stages by at least 25-30%, and the removal of the air compressor shop in a separate industrial zone can drastically reduce the noise level in the halls of the main compressor shops. This will also make it possible to use higher total degrees of compression of cyclic air (of the order of 35-40 or more), since the gas used from the main gas pipeline as a fuel has a pressure of at least 4.5-5.5 MPa and this pressure is currently specially reduced due to the low total compression ratio for axial compressors.

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. The possibilities of influencing the process of formation of the fuel mixture in the combustion chambers of gas turbines will qualitatively change due to the appearance of the second controlled component of this mixture - cyclic air, and at the same time the risk of surging during GTU operation will be completely eliminated.

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. It will become possible to unify the power drive for all types of power plants of the compressor station based on the STP "PRYUNK" - the drive of the pulp and paper mill, air compressors, and auxiliary power plants. The latter will make it possible to build fully autonomous power stations in the underdeveloped regions of the Far North, while conventional power stations require the construction of extended power lines to power each power station from two independent power sources.

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. According to preliminary estimates, the energy efficiency of the proposed design of gas turbines will be expressed in a decrease in the total energy consumption for pumping gas through gas pipelines, which, on the scale of the Unified Gas Supply System of Russia, will lead to fuel gas savings of up to 10-12 billion cubic meters. m per year. This result is completely real, since in the period until 2005-2010. 100% reconstruction of all existing compressor stations is inevitable due to the complete development of the motor resource by the installed capacity of the compressor station.

Claims (5)

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. 1. GAS TURBINE INSTALLATION, comprising at least one power turbine, a multi-stage compressor having an autonomous drive and connected by an air duct through the main compressed air accumulator to the combustion chambers of the power turbines, an additional compressed air accumulator, characterized in that it is equipped with additional combustion chambers connected to inlet to the main compressed air accumulator, and at the outlet to the compressor drive, the latter is made in the form of a drive turbine, an additional compressed air accumulator and it is located before the last stage of the compressor, wherein the compressor drive installed in a separate workshop. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена установками промежуточного охлаждения воздуха, расположенными между ступенями компрессора. 2. The installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with intermediate air cooling units located between the compressor steps. 3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена регенераторами тепла, установленными между основным ресивером и камерами сгорания. 3. Installation according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that it is equipped with heat regenerators installed between the main receiver and the combustion chambers. 4. Установка по пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена байпасным трубопроводом, соединяющим основной и дополнительный аккумуляторы сжатого воздуха. 4. Installation according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that it is equipped with a bypass pipe connecting the primary and secondary compressed air batteries. 5. Установка по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что основной и дополнительный аккумуляторы сжатого воздуха выполнены в виде трубопроводов-ресиверов. 5. Installation according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that the primary and secondary accumulators of compressed air are made in the form of pipelines-receivers.

Images