Особенности работы газотурбинных агрегатов при различных технологических режимах газопроводов

Газотурбинные агрегаты в системе ОАО «Газпром» работают в различных регионах страны и различных параметрах наружного воздуха на входе агрегата (температура и давление наружного воздуха) и различных условиях подачи газа по газопроводу (зимние и летние режимы работы). Влияние параметров наружного воздуха (изменение температуры и давления) на изменение внешних характеристик собственно газотурбинной установки достаточно подробно было рассмотрено в главе 1.

Рассмотрим теперь, как изменяются характеристики газоперекачивающего агрегата (ГТУ плюс нагнетатель) при изменении подачи газа по магистральному газопроводу в течении года.

Режимы работы компрессорных станций газопровода и, следовательно ГПА, в течение года никогда не остаются стабильными. В зимний период эксплуатации подача газа по станции как правило возрастает; в летний период она снижается. Колебание в подаче газа по газопроводу в значительной степени определяется его потреблением коммунальными службами в течение года, причем различие между максимальным и минимальным потреблением газа может быть весьма значительным [5].

Качественная характеристика влияния режима работы газопровода и изменения температуры природного газа на входе в нагнетатель на потребляемую мощность компрессорной санкции в течение года можно проследить на примере кривых Рис. 5. 9. Зависимости Рис. 5.9 построены по обычным расчетным соотношениям при следующих исходных данных: расстояние между КС принято равным L = 100 км.; диаметр однониточного газопровода D = 1000 мм.; производительность Q = 26 млн. м³/сут.; степень сжатия по станции e = 1,44; давление газа на выходе КС р_вых.= 5,6 МПа. На Рис. 5.9 показано также изменение входного давления газа в нагнетатель р_вх.и изменение относительной мощности потребляемой нагнетателем в течение года.

Относительную амплитуду колебаний в подаче газа по газопроводу удобно определять как отношение разности между максимальной и среднегодовой подачей газа в течение года к среднегодовой подаче, b_Q = (Q_мах.– Q_m₎/Q_m = 0,01 (сплошная линия) и b_Q = 0,05 (пунктирная линия). Следует отметить, что подобное колебание в подаче газа по газопроводу весьма незначительно и находится на уровне проектных данных. В реальных условиях этот показатель может достигать величины 0,20-0,25 и выше.

Анализ данных Рис. 5.9 показывает, что наряду с изменением температуры наружного воздуха примерно по такой же качественной зависимости изменяется и температура грунта на глубине заложения газопровода, а следовательно и температура газа на входе в нагнетатель (Рис. 5.10). Следует однако отметить, что амплитуда колебаний температуры грунта на глубине заложения газопровода примерно в 2-3 раза меньше амплитуды колебаний температуры наружного воздуха, хотя разница в значениях средних температур воздуха и грунта для различных климатических районов примерно одинакова (табл. 5.4) [6].

Таблица 5.4.

Среднегодовые значения температуры наружного воздуха и грунта

на глубине заложения h = 1,2 м в некоторых пунктах страны

Район страны	Среднегодовая температура наружного воздуха, t₁⁰С	Амплитуда колебаний температуры воздуха в течение года, Dt ⁰C	Среднегодовая температура грунта на глубине h=1,2 м., ⁰C	Амплитуда колебаний температуры грунта на глубине h= 1,2 м. ⁰C
Бухара Игрим Москва Мурманск Ростов-на-Дону Свердловск Ставрополь Якутск	13,9 -3,1 4,8 -0,8 8,7 0,8 9,1 -10,2	28,1 38,1 28,7 26,1 29,3 33,2 25,6 62,0	17,3 -4,5 2,6 10,7 5,5 9,6 -2,8	20,5 10,2 14,3 13,2 13,4 12,9 14,6 13,7

Несмотря на то, что амплитуда колебаний температуры грунта (а, следовательно) и газа на глубине заложения газопровода h = 1,2 м. практически для всех регионов одинакова, мощность потребляемая нагнетателем неоднозначно зависит от изменения температуры наружного воздуха в течение года. Дело в том, что зависимость температуры газа на входе в нагнетатель от изменения температуры наружного воздуха в течение года характеризуется эллипсоидной кривой (Рис. 5. 11). Происходит определенное замедление во времени процесса оттаивания грунта весной и отставание снижения температуры грунта в осенний период сравнительно со снижением температуры наружного воздуха. В свою очередь, это приводит к тому, что при переходе от зимнего периода к летнему, мощность потребляемая нагнетателем несколько выше, чем при переходе от летнего периода к зимнему.

Петля «гистерезиса» поднимается с увеличением численного значения величины b_Qи тем круче, чем больше эта величина b_Q[ 17]. Это естественно влияет на среднегодовую загрузку эксплуатируемых агрегатов.

Определение коэффициента загрузки агрегатов на КС в этих условиях целесообразно осуществлять при следующих исходных предпосылках: режим работы газопровода из года в год установившийся; колебания мощности энергопривода (N_e) совпадают по фазе с колебаниями гидравлической мощности (N_p₎ газопровода (без учета КПД ГПА); КПД нагнетателей принимается постоянным.

В этих условиях заданный годовой график изменения пропускной способности газопровода (b_Q = idem) будет обеспечиваться условием [17]:

(5.9)

Коэффициент загрузки агрегатов как функция относительной амплитуды колебаний пропускной способности газопровода (b_Q), расчетной температуры циклового воздуха на входе в осевой компрессор (t_1,0) и максимальной температуры наружного воздуха (t_нар._max.) будет определяться соотношением (из условия обеспечения летней, гидравлической мощности газопровода) [17]:

(5.10)

t_нар,_max. ³ t_нар,_max.0(5.11)

(5.12)

отсюда:

; (5.13)

где t_1,0– расчетная температура наружного воздуха на входе в ГТУ на номинальном режиме; t_нар._max. – среднемесячная температура наружного воздуха в самом жарком месяце года; индекс «m» - в уравнениях означает среднее значение данной величины.

Отношение средней годовой гидравлической мощности газопровода к гидравлической мощности газопровода при средней его пропускной способности определяется соотношением [12]:

(5.14)

; (5.15)

(5.16)

Разность (j - j₀) в уравнениях (5.14) характеризует сдвиг максимальной подачи газа по газопроводу сравнительно с началом года. Численно эта величина соответствует тому, что максимум подачи газа по газопроводу приходится примерно на середину января месяца каждого года, а не на первое января, j - j₀» 15⁰.

Относительное изменение мощности ГТУ простого цикла при изменении температуры наружного воздуха в первом приближении можно оценить по уравнению проф. Н.И. Белоконь (уравнение 1. 86):

(5.17)

где Dt₁– изменение температуры наружного воздуха по сравнению со стандартной температурой на номинальном режиме работы; Т₀- начальная (расчетная) температура воздуха на номинальном режиме работы, К; l₀– соотношение мощностей компрессора и газовой турбины в условиях номинальной загрузки ГПА, l₀» 0,65.

При значениях аргумента t_1,_max. £ t_1,0,_max среднегодовой коэффициент загрузки агрегата практически состается постоянным (в условиях b_Q = idem):

(5.18)

где к - коэффициент запаса по мощности агрегата, определяемый в основном по условию прочности узлов ГТУ:

(5.19)

при условиях, t_1,_max³ t_1,0,_max.имеем:

(5.20)

Соотношение (5.20) позволяет проследить, как будет меняться коэффициент загрузки агрегата на КС в условиях переменного режима работы газопровода (b_Q ¹ idem) и при изменении температуры наружного воздуха, исходя из условий обеспечения либо максимальной (зимней), либо минимальной (летней) гидравлической мощности газопровода.

Температуру воздуха на входе в осевой компрессор ГТУ можно представить как разность между температурой наружного воздуха в самом жарком месяце года (t_июль) и снижением ее:

t_1,_max.= t_июль - Dt₁ (5. 21)

В этих условиях, коэффициент загрузки агрегата можно представить как функцию двух переменных t_июльи Dt₁:

(5.22)

Данные Рис. 5. 12 иллюстрируют зависимость отношения N_e_,_max./N_e_,_min.и коэффициента загрузки агрегата s_m./s_m,0от изменения июльской температуры наружного воздуха (при b_Q = 0,05).

Приведенные соотношения (5.20 - 5.22) дают возможность анализировать влияние расчетной температуры наружного воздуха на среднегодовой коэффициент загрузки агрегата в данном климатическом районе и влияние фактической температуры воздуха при переходе из одного климатического района в другой.

В частности, в северных районах страны, где среднегодовая температура наружного воздуха находится на уровне примерно 0⁰С, температура газов перед турбиной может быть ниже номинальной на 40-50 ⁰С и это при среднегодовой загрузке агрегата на уровне 0,80-0,85.

В южных районах страны, при температурах наружного воздуха на уровне 20-25 ⁰С, температура продуктов сгорания перед ТВД близка к номинальной, а среднегодовой коэффициент использования рабочей мощности может быть ниже, чем в северных районах, на 10-15 %. В ряде случаев, может ощущаться и дефицит мощности для перекачки заданного количества газа из-за ограничения высшей температуры цикла по установке.

Сопоставление данных по режимам работы нагнетателя и ГТУ в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, позволяет построить их совмещенные характеристики (Рис. 5. 13 с учетом данных Рис. 5. 12) при условии (n = idem).

Данные Рис. 5. 13 достаточно наглядно иллюстрируют особенности работы газотурбинного агрегата в различных климатических районах при изменении температуры наружного воздуха t₁. Действительно, при изменении температуры наружного воздуха мощность, потребляемая нагнетателем, практически не изменяется, в силу того, что изменение температуры наружного воздуха слабо сказывается на изменение температуры газа входе в нагнетатель, т.к. газопровод заглублен в грунт на глубину 0,8-1,0 м. и выходит на поверхность только на участке обвязки компрессорного цеха.

Это приводит к тому, что при температуре наружного воздуха ниже расчетной (t₁< t_1,0) на КС может быть определенный избыток мощности ГТУ, а в условиях (t₁> t_1,0) наоборот.

Несоответствие характеристик нагнетателя и ГТУ по температуре наружного воздуха, когда t₁¹ t_1,0приводит к недоиспользованию установленной мощности ГПА и, следовательно, к снижению подачи газа по газопроводу.

Характеристики ГТУ и нагнетателей при проектировании газотурбинного энергопривода для данного района эксплуатации могут быть приведены в соответствии путем выбора расчетной температуры наружного воздуха перед ГТУ в зависимости от района эксплуатации агрегатов, смены рабочих колес нагнетателей, искусственного изменения температуры воздуха на входе в осевой компрессор установки, или использования поворотных лопаток осевого компрессора, позволяющих за счет изменения подачи циклового воздуха, стабилизировать температуру на входе в осевой компрессор в определенных пределах на постоянном уровне.