Актуальность проблемы. В настоящее время парк газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) предприятия ООО «Газпром трансгаз Югорск», эксплуатирующего крупнейшую газотранспортную систему в мире, насчитывает более 1100 ГПА. В составе парка 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. Темпы реконструкции компрессорных цехов, с заменой физически и морально устаревших приводных ГТУ на более совершенные, в основном авиационного и судового типов, значительно отстают от темпов «старения» эксплуатируемых ГТУ. В связи с этим необходимо уделять особое внимание техническому состоянию работающих стационарных ГТУ и реализовывать мероприятия для максимально эффективной их эксплуатации в части вырабатываемой мощности, экономичности и надежности.
Помимо проблем, связанных с большой наработкой ГТУ стационарного типа, в процессе длительной эксплуатации в результате реализации различных инженерных решений при строительстве объектов, мероприятий по ремонтно-техническому обслуживанию и реконструкции ГТУ сформировалось многообразие основных и вспомогательных систем ГПА - типов конструкций КВОУ, регенеративных теплообменников, конструкций камер сгорания - для одного и того же типа ГТУ. Указанные причины приводят к отклонению (зачастую ухудшению) основных характеристик как ГТУ в целом, так и осевых компрессоров и турбин в частности, от паспортных значений.
В связи с этим актуальность работы, определяющая ее цели и задачи, заключается в исследовании влияния указанных факторов на основные характеристики ГТУ и разработке способов (методов) повышения эффективности работы стационарных ГТУ с учетом многообразия эксплуатационных факторов.
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 (Г ДУ) 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 (С А) 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 Г ДУ 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 Ы1 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.
1. Разработана и апробирована методика проведения специальных экспериментальных исследований осевого компрессора приводной стационарной ГТУ в условиях эксплуатации, направленных на выявление срывных и неустойчивых режимов его работы.
2. Установлено, что граница устойчивой работы ОК ГТК-10-4 вследствие изменения характеристик сети в системе компрессор-сеть сужена. Внесены предложения по ограничению максимальной частоты вращения ротора турбокомпрессора в зависимости от температуры воздуха на всасе ОК с целью исключения попадания рабочей точки в зону неустойчивой работы.
3. Проведены численные исследования характера обтекания лопаточного аппарата ОК ГТК-10-4 с применением современных программных средств. Результаты имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными. Уточнена физическая картина обтекания лопаточных венцов. 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.
4. Установлено при помощи численных методов исследований влияние конструкции ВЗК ГТУ ГТК-10-4 на работу ОК при неблагоприятных климатических условиях и приближении рабочей точки на характеристике компрессора к границе устойчивости. Результаты хорошо соотносятся с данными испытаний.
5. Реализован и апробирован способ повышения эффективности работы ГТУ типа ГТН-16 за счет оптимального выбора нагруженности турбинных ступеней с помощью изменения угла установки лопаток СА ТНД. Прирост вырабатываемой эффективной приведенной мощности установки составил не менее 4 %.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
