Совместное использование газотурбинного и электрического приводов на магистральных газопроводах

При рассмотрении совместной работы цехов КС и выбора режимов компримирования при переменном режиме работы газопровода необходимо учитывать загрузку КС и цены на энергоносители, исходя из условия минимума расходов на энергоносители.

Рассматривая возможность совместной работы цехов с разным типом привода можно отметить следующее.

В первом приближении, представляется целесообразным в зимний период использовать прежде всего ГГПА, а покрытие недостающей мощности и резервирование – за счет ЭГПА.

В летний период – с технологической точки зрения целесообразнее использовать электроприводные ЭГПА, с резервированием мощности за счет ГТУ.

Дело в том, что недостатком ЭГПА является невозможность регулирования работы агрегатов за счет изменения частоты вращения рабочего колеса ЦБН.

Все способы регулирования ЭГПА не являются оптимальными, т.к. связаны с ростом энергетических затрат, а некоторые из них требуют предварительного вывода из работы агрегата. Это известные способы: дросселирование газа на входе в нагнетатель, байбасирование, т.е., перепуск части потока газа с нагнетательной линии на вход, установка входного поворотного направляющего аппарата перед колесом нагнетателя, замена проточной части нагнетателя, изменение передаточного числа в редукторе, установка гидромуфты, включение и выключение из работы агрегатов. Все эти способы регулирования являются затратными.

В отличие от ЭГПА, агрегаты с газотурбинным приводом обладают отличным качеством – простотой регулирования.

Поэтому технология совместной эксплуатации разнотипных агрегатов основана на том, что ЭГПА имеет стабильную характеристику при n = const, которая в процессе работы и регулирования не меняется. Переменной является частота вращения вала ГГПА, n = varia, путем изменения которой и осуществляется регулирование.

Регулирование режимов упрощается, если соединить газотурбинные и электроприводные цеха КС перемычками, что и осуществлено на ряде КС газотранспортной системы ОАО "Газпром".

При совместной работе ГГПА и ЭГПА на общий коллектор регулирование осуществляется за счет газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом, которые позволяют осуществлять плавное регулирование режимов работы ГПА и всей системы компримирования за счет изменения частоты вращения n силовых валов ГТУ в достаточно широком диапазоне.

Т.о., при совместном использовании ЭГПА и ГГПА работу электроприводного агрегата целесообразно осуществлять в базовом режиме, а работу газотурбинного агрегата - в режиме регулирования производительности. Изменяя частоту вращения вала ГТУ, можно изменять давление газа на входе ЭГПА и, следовательно, расход газа через него.

Рассмотрим совместную работу разнотипных агрегатов ЭГПА и ГГПА при параллельном соединении (рис. 4.2).

В простейшем случае агрегаты разнотипные, но одинаковой мощности и с одинаковым типом нагнетателя. Новый совместный режим работы ЭГПА и ГГПА установится по условию ε' = idem. Режим работы электроприводного агрегата определится точкой 2' на рис. 4.2в, и производительность его станет равной Q₂, а режим работы агрегата с газотурбинным приводом определится точкой 2'', и производительность его станет равной Q'₂ .

Линия 1-2'' отражает условный переход режима работы ГГПА из точки 1 в точку 2'' при снижении производительности.

. (4.1)

ε ε ε n''<n'<n<n'''

2 2′

2′′

1 2 1 2 1

4 3

ΔQ ΔQ ΔQ

Q₂ Q_ном Q₂ Q_ном Q₂′′ Q₂′ Q_ном

а) ЭГПА б) ГТУ в) ЭГПА+ГТУ

Рисунок 4.2. - Регулирование производительности КС при использовании ЭГПА (а), ГТУ (б) и комбинированного (в) энергопривода (ЭГПА и ГТУ)

При увеличении оборотов условный переход режима ГГПА будет отражаться линией 1 – 3. При этом во всем диапазоне работы от точки 2' до точки 3 частота вращения вала нагнетателя у ЭГПА будет оставаться неизменной. Воздействие на ЭГПА происходит при изменении частоты вращения газотурбинного агрегата.

Удобство такого регулирования очевидно. Кроме того, всегда имеется возможность выбора режима регулирования:

- либо из условия минимума затрат на перекачку газа;

- либо по условию изменения подачи газа по трубопроводу.

Для определения энергетических показателей агрегатов и удобства нахождения минимума затрат на перекачку при переменном режиме работы газопровода можно использовать совмещенные характеристики ГПА, в координатах N_е/G - Q_пр (рис. 4.3), построенные на основе энергетической и технологической характеристик; G – массовый расход топливного газа.

Рисунок 4.3 – Совместные режимы работы ЭГПА (СТД-12500-2) и ГГПА

(ГТК-10-4)

Использование подобной диаграммы удобно при решении вопросов совместной работы разнотипных агрегатов (ЭГПА и ГГПА) на общий коллектор.

Пример. Определить производительность суммарную и каждого агрегата в отдельности при параллельной работе ЭГПА с двигателем СТД 12,5 и ГГПА с двигателем ГТК – 10 – 4 со степенью сжатия ε = 1,175 из условий:

а) минимума расхода энергоносителей;

б) максимальной производительности;

в) суммарной производительности Q = 1000 м³/мин.

Совместные характеристики данных агрегатов представлены на рис. 4.3. Характеристика ЭГПА представлена кривой, совпадающей с предельной кривой характеристики ГГПА при n = 4800 1/мин. С понижением параметров идут характеристики ГГПА – с переменной частотой вращения вала n = 4800; 4400; 4000; и 3600 1/мин.

При степени сжатия ε = 1,175 для ЭГПА возможен один единственный режим, определяемый точкой пересечения характеристик ε = 1,175 и n = 4800 1/мин с производительностью Q_ЭГПА = 650 м³/мин.

а) Минимум удельных энергозатрат для ГГПА определяется экстремальной точкой 1 на кривой ε = 1,175 с производительностью Q_ГГПА = 475 м³/мин.

Суммарная производительность:

Q_сум = 650 + 475 м³/мин.

Минимальные удельные энергозатраты в сумме составляют:

N_сум/G = N_ЭГПА/G + N_ГГПА/G = 0,410 + 0,446 = 0,856 кВт/кг.

б) Максимальная производительность обеспечивается, когда ГГПА и ЭГПА работают в одинаковых режимах: Q_ГГПА = Q_ЭГПА = 650 м³/мин, обеспечивая суммарную производительность

Q_сум = 650 + 650 = 1300 м³/мин.

Суммарные удельные энергозатраты при этом:

N_cум/G = N_ЭГПА/G + N_ГГПА/G = 0,446 + 0,446 = 0,892 кВт/кг.

в) Аналогично определяются режимы совместной работы по условию необходимого изменения производительности: Q_сум = 1000 м³/мин.

Так как при заданной степени сжатия ε = 1,175 производительность ЭГПА Q_ЭГПА = 650 м³/мин, то производительность ГГПА будет равна:

Q_ГГПА = 10000 – 650 = 350 м³/мин.

Удельные энергозатраты:

N_cум/G = N_ЭГПА/G + N_ГГПА/G = 0,446 + 0,420 = 0,866 кВт/кг.

Данный способ регулирования может быть использован и на КС с агрегатами различной единичной мощности, как это выполнено на КС "Донская" ООО "Мострансгаз". В результате объединения перемычками агрегатов ГТН – 25 и ЭГПА – 12,5 на входе и выходе станций стало возможным обеспечение режимов с минимальными расходами энергоносителей при переменном режиме работы ГПА.