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].

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

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. 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_Q и 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,max ³ 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_июль и Dt₁:

(5.22)

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.

Несоответствие характеристик нагнетателя и ГТУ по температуре наружного воздуха, когда t₁ ¹ t_1,0 приводит 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.