Учебное пособие предназначено для проведения занятий на базовой кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» ООО «Газпром трансгаз Уфа» для студентов, обучающихся по направлению нефтегазовое дело Составители: Китаев С.В. (д.т.н.), Мастобаев Б.Н. (д.т.н.), Дмитриева Т.В. (к.т.н.),Смирнов О.Е., Тимохин А.Л. (к.т.н.) 2015 СОДЕРЖАНИЕ Введение ……..…………………………………………………………………………………… 3 Принцип действия и конструктивные особенности газотурбинных установок …......………….. 4 Схемы установок на основе газотурбинного привода ………................................................……. 9 Газоперекачивающие агрегаты ГПА-12(16)р «Урал» ………….................................................... 12 Газоперекачивающие агрегаты ГПА-16р «Уфа» ……..................................................…………… 25 Газоперекачивающие агрегаты ГПА-10-01 «Волна» …………...............................................…… 38 Центробежные нагнетатели природного газа …………………..................................................... 85 Технологические схемы компрессорных станций …….................................................................. 99 Техническое обслуживание и ремонт ……………………...............................................………… 106 Литература ……………………………………………..............................................…………… 109 ВЕДЕНИЕ Магистральный транспорт природного газа является основным способом доставки углеводородного топлива потребителю. Перекачка газа осуществляется газоперекачивающими агрегатами, преимущественно с газотурбинным приводом (80%). Применяются газотурбинные установки трех типов – стационарные, авиационные и судовые. Перспективными для использования в магистральном транспорте газа считаются авиационные и судовые газотурбинные двигатели. В учебном пособии рассмотрены основные схемы, принцип работы, конструкции авиационных и судовых газотурбинных установок в составе газоперекачивающих агрегатов. Приведены схемы компрессорных станций с полнонапорными и неполнонапорными нагнетателями с примерами расчета режимов работы газоперекачивающих агрегатов. 3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Газотурбинная установка (газовая турбина) – машина (механизм), которая преобразовывает тепловую энергию в механическую работу. Рабочим телом в газотурбинной установке (ГТУ) являются продукты сгорания топлива, перемешанные с воздухом. Промышленные газовые турбины делятся на три основных типа – специально изготовленные (стационарные), авиационные двигатели и судовые двигатели (рис. 1), приспособленные для промышленного использования. Классификация ГТУ по типу Стационарные Судовые Авиационные (корабельные) Рисунок 1 – Классификация ГТУ по типу Авиационные двигатели могут быть отнесены к группе транспортных машин. Специально изготовленные машины с самого начала проектируются в расчете на промышленные условия работы с упором на долговечность, удобство технического обслуживания на месте эксплуатации, непрерывность работы при базовой нагрузке и простоту, прочность и дешевизну конструкции. В то же время машины, взятые из авиации или судовые, являются транспортными, и поэтому изготавливаются из легких материалов, рассчитаны на получение очень большой мощности в течение короткого времени. Авиационные двигатели во время взлета 4 должны иметь малую площадь лобового сечения для минимизации сопротивления. Стоимость изготовления и сложность играют второстепенную роль по сравнению с высокими рабочими характеристиками и КПД по горючему. Хотя первоначальные требования различаются, авиационные и судовые двигатели могут быть успешно приспособлены к промышленным режимам работы с минимальными переделками. Может быть сохранено от 50 до 90% от исходного двигателя. Принцип действия ГТУ следующий (рис. 2). Воздух всасывается в компрессор через воздухозаборное устройство сначала с помощью системы пуска, а затем, когда произойдет зажигание, посредством компрессорной турбины, которая соединена валом с ротором компрессора. Рисунок 2 – Основы работы газотурбинной установки Сжатый воздух, поступающий из компрессора, подается в камеру сгорания, где он смешивается с топливом. При пуске эта топливовоздушная смесь поджигается высоковольтной искрой, после чего это сгорание будет продолжаться до тех пор, пока имеется достаточный поток сжатого воздуха и топлива. Быстрый рост температуры в камере сгорания вызывает значительное увеличение объема и скорости потока продуктов сгорания. Однако давление растет незначительно. Продукты сгорания расширяются через компрессорную турбину, которая отбирает у них энергию, достаточную для вращения ротора компрессора (примерно 60% от полной полезной энергии), а остальной поток газа создает реактивную 5 тягу в самолете или (в промышленных установках) пропускается через следующую турбину (рабочую турбину) для получения крутящего момента на рабочем валу. Газовая турбина является разновидностью реактивного двигателя. Разница между реактивным и газотурбинным двигателем заключается в их назначении: реактивный двигатель используется в качестве тягового и авиационного; промышленная газовая турбина используется для привода центробежных нагнетателей, насосов и электрогенераторов. Газотурбинные установки в магистральном транспорте газа применяются для привода центробежных нагнетателей. Для этих целей существует следующий мощностной ряд: 2,5-4-6(8)-10(12)-16-25-32… 50 МВт. Промышленная газотурбинная установка состоит из одного или нескольких компрессоров, теплового устройства (камеры сгорания), которая нагревает рабочее тело (воздух), одной или нескольких турбин, системы регулирования (управления) и необходимого вспомогательного оборудования. Газотурбинная установка в составе газоперекачивающего агрегата приведена на рис. 3. Работу газотурбинной установки обеспечивают следующие системы и устройства: - система автоматического управления, регулирования и защиты; - входной тракт с воздухозаборными, воздухоочистительными, противообледенительными устройствами и шумопоглощением; - выходной тракт с выхлопными (дымовыми) трубами (шахтами), шумопоглощением и утилизационным теплообменником; - система топливного и пускового газа с запорной арматурой; - система смазки; - агрегатные устройства электроснабжения; - системы вентиляции, пожаротушения, взрывозащиты и т.д. 6 1 – входное воздухоочистительное устройство; 2 – масляные радиаторы; 3 – газотурбинная установка; 4 – выхлопное устройство с шумопоглотителем; 5 – нагнетатель природного газа; 6 – маслобак агрегата; 7 – фундаментная металлическая рама агрегата; 8 – силовая турбина агрегата; 9 – подмоторная рама авиапривода Рисунок 3 – Газоперекачивающий агрегат с газотурбинным приводом При низких температурах газотурбинная установка способна развивать мощность до 120% от номинальной величины. Эффективность (экономичность) газотурбинной установки характеризуется величиной КПД, выраженного отношением полезной мощности (энергии) на муфте к величине тепловой мощности (энергии), подводимой с топливным газом (рассчитанной по низшей теплоте сгорания). Эксплуатационные газотурбинные установки имеют КПД от 24 до 36%, в перспективе уровень составит до 40%. В качестве пускового устройства применяется турбодетандер (пневмостартер), работающий на транспортируемом природном газе (со сбросом в атмосферу), или электростартер мощностью до 200 кВт. Время пуска составляет не более 30 минут. 7 Система автоматического управления (САУ) ГТУ обеспечивает следующие автоматические функции, позволяющие эксплуатировать его без постоянного присутствия обслуживающего персонала: - выполнение и контроль предпусковых операций; - пуск, нормальный и аварийный останов; - регулирование и контроль параметров; - защиту ГТУ на всех режимах ее работы; - распределение электропитания; - связь ГТУ с цеховой САУ; - сбор, обработку и представление информации о режимах работы ГТУ. В маслосистемах ГТУ используются масла промышленного назначения: минеральные или синтетические (как правило, только для двигателей авиационного типа). Безвозвратные потери масла составляют от 0,5 до 1,0 кг/час. Охлаждение масла – воздушное. Газотурбинные установки относятся к механизмам долговременного использования. Общий технический ресурс до списания назначается 100 тыс. ч и более. Однако, отдельные его элементы имеют неограниченный ресурс. Так, двигатель авиационного или судового типа может иметь общетехнический ресурс 30-60 тыс. ч. Для газотурбинных установок промышленного типа заменяются некоторые узлы горячего тракта (так, ресурс лопаток 1-х ступеней турбины и жаровых труб камеры сгорания может назначаться 25-30 тыс.ч наработки). Ресурс между средними ремонтами обычно равен около 12 тыс.ч, между капитальными ремонтами – 20-30 тыс.ч. При создании и эксплуатации ГТУ должен быть выполнен целый ряд экологических требований и стандартов безопасности труда: пожаробезопасность, ограничение тепловыделений и температур поверхностей, снижение шума, ограничение вредных выбросов с выхлопными (дымовыми) газами. ГТУ оборудуются автоматической противопожарной системой, включающей в себя датчики пожарной ситуации и системы пожаротушения. 8 Для снижения шума применяются шумоглушители во всасывающем и выхлопных трактах, а также специальные теплошумоизолирующие кожухи. Показатели токсичности выхлопных продуктов сгорания – важная экологическая характеристика ГТУ. Контролю и учету подлежат выбросы с продуктами сгорания оксидов азота и оксида углерода, концентрации которых в выхлопных газах не должны превышать соответственно 150 и 300 мг/м 3 (перспективный уровень 50 мг/м3). Выхлопное устройство ГТУ (включая дымовую трубу) должно обеспечивать рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере до уровня допустимых концентраций, как для рабочей зоны, так и близлежащих населенных пунктов. Высота дымовой трубы обычно составляет 12-25 м. СХЕМЫ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА Наименее сложной схемой ГТУ является установка простого цикла (рис. 4). Энергия топлива в ней преобразуется в механическую энергию на валу двигателя (одновальная, т.е. блокированная, рис. 4а) или с силовой турбиной (многовальная конструкция, рис. 4б). а) б) 1 – компрессор высокого давления; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления; 4 – компрессор низкого давления; 5 – турбина низкого давления; 6 – силовая турбина; 7 – потребитель мощности Рисунок 4 – ГТУ простого цикла 9 Для согласования частот вращения силового вала двигателя и вала потребителя мощности применяется редуктор (мультипликатор). Вал отбора мощности может быть выведен как в сторону компрессора (переднеприводной вариант), так и в сторону турбины (заднеприводной вариант). Редуктор может быть встроенным и выносным. ГТУ простого цикла широко используются в ПАО «Газпром», где надежность агрегата является главным требованием. Промежуточный подогрев циклового воздуха выхлопными газами перед камерой сгорания повышает экономичность установки. Рекуперативная схема ГТУ представлена на рис. 5. Она также нашла применение в ПАО «Газпром». Ее изготовлением занимается АО «Невский завод». 1 – компрессор высокого давления; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления; 7 – потребитель мощности; 8 – рекуператор; 9 – регулирующее устройство Рисунок 5 – ГТУ с регенерацией тепла уходящих газов Рост стоимости топлива требует повышения экономичности агрегатов и усложнения цикла. На рис. 6 приведена схема установки с промежуточным охлаждением циклового воздуха в компрессоре с регенерацией теплоты. Такая схема реализована в газотурбинном агрегате «Надежда» разработки «НИК-ТИТ» (ЗАО «РЭП-Холдинг»). Включение в цикл дополнительного подогрева газа в турбине позволяет повысить мощность установки. 10 1 – компрессор высокого давления; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления; 4 – компрессор низкого давления; 5 – турбина низкого давления; 6 – силовая турбина; 7 – потребитель мощности; 8 – рекуператор; 10 – холодильник Рисунок 6 – ГТУ с промежуточным охлаждением циклового воздуха в компрессоре с регенерацией тепла На рис. 7 приведена схема ГТУ с системой турбокомпрессорного утилизатора тепла выхлопных газов. 1 – компрессор высокого давления; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления; 4 – компрессор низкого давления; 5 – турбина низкого давления; 6 – силовая турбина; 7 – потребитель мощности; 10 – холодильник; 11 – турбина; 12 – дожимной компрессор Рисунок 7 – ГТУ с турбокомпрессорным утилизатором тепла уходящих газов 11 Повышение КПД в ней достигается за счет расширения уходящих из ГТУ газов в турбине перерасширения до давления ниже атмосферного, с последующим их охлаждением и сжатием в компрессоре до атмосферного давления. Повышение эффективности достигается за счет снижения температуры уходящих газов. При этом работа, требуемая для сжатия охлажденных газов, меньше полученной при перерасширении в турбине. ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ ГПА-12(16)р «УРАЛ» Первым предприятием, начавшим выпускать газоперекачивающие агрегаты на базе авиационных двигателей, было ПО «Пермские моторы». Его детищем стал газоперекачивающий агрегат, разработанный на базе авиационного двигателя ПС-90, поднимающего в воздух самолеты Ил-96-300, ТУ-214ю. Агрегаты получили название ГПА-12р, ГПА-16р «Урал». Они могут использоваться для комплектации при строительстве новых компрессорных станций, а также для реконструкции компрессорных цехов. ГПА предназначены для оборудования действующих и вновь строящихся линейных компрессорных станций, осуществляющих транспортировку природного газа по магистральным трубопроводам. Агрегаты имеют блочно-комплектную конструкцию с использованием унифицированных, функционально законченных блоков высокой заводской готовности, модулей, панелей и других конструктивных элементов, монтируемых на месте эксплуатации с применением универсальных грузоподъемных средств и инструмента. В состав ГПА включена автоматическая система противопожарной защиты, содержащая устройства для обнаружения загорания и средства пожаротушения трех типов: углекислотные, пенные и порошковые. Основные технические характеристики ГПА приведены в табл. 1. 12 Таблица 1 – Технические характеристики ГПА Номинальная мощность, МВт ГПА-12р «Урал» 12 ГПА-16р «Урал» 16 Коммерческая производительность, млн. нм/сут. 20,4...32,6 22,0...35,0 Давление компрессора, МПа 5,45...9,61 5,45...8,33 Степень сжатия 1,32...1,7 1,44...1,61 Политропный КПД компрессора 0,85-0,86 0,85-0,86 6500 5300 0,346 0,208 0,363 0,192 0,6 3,0 0,6 3,2 МС-8П ТП-22С 170 100 МС-8П ТП-22С 220 100 Наименование характеристик Частота вращения ротора силовой турбины, об/мин Эффективный КПД ГТУ (в станционных условиях) Удельный расход топливного газа ГТУ, кг/кВт ч Давление газа (max), МПа пускового топливного Тип масла двигателя компрессора Масса, тонн Общий ресурс, тыс.часов СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ ГПА-12р «УРАЛ» ГПА-12 «Урал» – газоперекачивающий агрегат, серийно выпускаемый АО «Искра» и ООО «Искра-Турбогаз» для газовой промышленности. ГПА представляет собой комплекс блочно-контейнерного оборудования. В ГПА применен конвертированный авиационный двигатель ГПУ-12П, разработанный ПАО «Авиадвигатель» на базе авиационного двигателя ПС-90. На рис. 8 машинный зал компрессорной станции, оснащенной ГПА-12 «Урал». Номинальная мощность ГПА – 12 МВт. Поставщик – ООО «НПО «Искра». В табл. 2 приведены производители основного оборудования ГПА-12р «Урал». 13 Рисунок 8 – Машинный зал компрессорной станции, оснащенной ГПА-12 «Урал» Таблица 2 – Производители основного оборудования ГПА-12р «Урал» Оборудование Модель, тип Производитель Газотурбинная установка Газотурбинный двигатель Варианты нагнетателей Мультипликатор привода нагнетателя Воздухозаборный тракт ГПА-12 «Урал» ГТУ-12П Н370 (СПЧ) и др. Отсутствует НПО «Искра» Пермский моторный завод Компрессорный комплекс Отсутствует КВОУ НПО Искра Стартер С107-ГТУ гидр. турбодетандер, электрический водоУТО-5 и др. Котел-утилизатор грейный Аппарат воздушного охлаждения масла Агрегатная система управления Противопожарная система ГСКТБГ (Гомель) Пермский моторный завод УЭМЗ и др. АВОМ 050.210 и др. Газхолодтехника На базе Micro PC Octagon System МСКУ-4510 и др. АСПС, КЗ и ПТ НПФ Система-Сервис 14 Спецпожинжиниринг ОПИСАНИЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГТУ-12П Газотурбинный двигатель ГТУ-12П (рис. 9) разработан АО «Авиадвигатель» на базе авиационного двигателя ПС-90. Рисунок 9 – Газотурбинный двигатель ГТУ-12П Двигатель одноконтурный со свободной силовой турбиной состоит из осевого однокаскадного 13-ступенчатого компрессора с регулируемым ВНА, трубчато-кольцевой камеры сгорания, осевой реактивной двухступенчатой турбины высокого давления и силовой турбины с частотой вращения ротора 6500 об/мин. Компрессор и турбина оборудованы активной системой регулирования радиальных зазоров между статором и ротором, что позволит оптимизировать их величину на различных режимах для повышения КПД. Модульность конструкции позволяет менять компоненты без полной разборки. Возможна замена газогенератора и силовой турбины. Разъемные корпуса камеры сгорания позволяют проводить на месте эксплуатации замену жаровых труб и лопаток соплового аппарата первой ступени турбины. Корпуса турбины 15 обеспечивают локализацию частей роторных деталей (лопаток) в случае разрушения. Двигатель крепится к раме на упругих опорах. Узлы крепления находятся на корпусе компрессора и на опорном корпусе силовой турбины. Запуск ГТД осуществляется газовым стартером (турбодетандером) или гидростартером от электронно-гидравлической системы запуска С107-ГТУ. Одна гидростанция обеспечивает последовательный запуск нескольких ГТД. Внедрение электронногидравлического запуска позволило исключить выбросы в атмосферу природного газа, которые происходили при запуске турбин газовым стартером, и существенно повысило надежность, ресурс и безопасность запуска. Заявленная мощность двигателя поддерживается до температуры наружного воздуха +30°С, а при температуре ниже -2°С возможно увеличение мощности до 14 МВт. В табл. 3 приведены характеристики ГТД. Таблица 3 – Технические характеристики ГТД Модель ГТУ-12П Номинальная мощность, МВт Схема двигателя: - количество валов - количество ступеней Степень повышения давления в компрессоре Тип камеры сгорания Количество жаровых труб Номинальный КПД в простом цикле, % Расход выхлопных газов, кг/с Температура выхлопных газов, °С Частота вращения силовой турбины, об/мин Применяемое масло Безвозвратные потери масла, кг/час Назначенный ресурс, ч Межремонтный ресурс, ч Суммарная масса на раме с обвязкой, кг Габариты на раме (L×B×H), м 16 12,4 Двухвальная 13КВД+2ТВД+2СТ 15,8 Трубчато-кольцевая 12 34,6 46,1 470 6500 Петрим МС-8ГП, МС-8П 0,5 100000 25000 6500 4,6×1,9×2,2 Характеристики газотурбинного двигателя ГТУ-12П представлены на графиках (рис. 10). Рисунок 10 - Характеристики газотурбинного двигателя ГТУ-12П ОПИСАНИЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГТУ-16П Номинальная мощность ГПА – 16 МВт. Поставщик – АО «Искра», ООО «Искра-Турбогаз» и ЗАО «Искра-Авиагаз». ГПА серийно выпускается с 2001 года. В табл. 4 приведены производители основного оборудования ГПА-12р «Урал». Таблица 4 – Производители основного оборудования ГПА-16р «Урал» Оборудование Модель, тип Производитель Газотурбинная установка ГПА-16 «Урал» Газотурбинный двигатель Варианты нагнетателей ГТУ-16П Н370 (СПЧ) и др. Отсутствует НПО «Искра», «Искра-Турбогаз», «Искра-Авиагаз» Пермский моторный завод Компрессорный комплекс, НПО Искра Отсутствует КВОУ НПО Искра Мультипликатор привода нагнетателя Воздухозаборный тракт Стартер С107-ГТУ гидр. турбодетандер, электрический водоУТО-5 и др. Котел-утилизатор грейный Аппарат воздушного охлаждения масла Агрегатная система управления Противопожарная система ГСКТБГ (Гомель) Пермский моторный завод УЭМЗ и др. АВОМ 050.210 и др. Газхолодтехника На базе Micro PC Octagon System МСКУ-4510 и др. АСПС, КЗ и ПТ НПФ Система-Сервис 17 Спецпожинжиниринг Газотурбинная установка ГТУ-16П разработана в рамках комплексной программы «Урал-Газпром» по созданию ГПА нового поколения на базе газотурбинной установки ГТУ-12П и предназначена для привода нагнетателя блочно-комплектного газоперекачивающего агрегата ГПА-16р «Урал» при новом строительстве, а её модификации разработаны для реконструкции компрессорных цехов при замене приводов газоперекачивающих агрегатов типа ГТК-10, ГПА-Ц-16, ГПУ-16 и других с учетом конкретных условий реконструируемой ГКС. Газотурбинная установка ГТУ-16П представляет собой комплекс, включающий в себя газотурбинный двигатель ПС-90ГП-1 на подмоторной раме, трансмиссию с кожухами, входное устройство, шумотеплоизолирующий кожух, выходное устройство, агрегаты, трубопроводные и электрические коммуникации систем, шкаф для размещения агрегатов и датчиков топливной системы (ТС). Основу конструкции ГТУ-16П формирует газотурбинный двигатель ПС90ГП-2, который является модификацией двигателя ПС-90ГП-1. Основные отличия двигателя ПС-90ГП-2 от двигателя ПС-90ГП-1: 1) дополнительная «нулевая» ступень компрессора с поворотным направляющим аппаратом; 2) трехступенчатая свободная турбина (СТ). Двигатель ПС-90ГП-2 состоит из модуля газотурбинного одноконтурного газогенератора на раме, модуля свободной (силовой) турбины на раме, соединенных между собой, что позволяет производить индивидуальную поставку, а также замену двигателя в целом и указанных модулей в условиях эксплуатации. Собранный двигатель на подмоторной раме монтируется на раму ГПА. Модульность конструкции в сочетании с развитой системой контроля, диагностики и ремонтопригодности позволяет вести эксплуатацию ГТУ по техническому состоянию. 18 Для проведения визуально-оптического контроля газовоздушного тракта двигателя на корпусах компрессора и турбины имеются специальные смотровые люки. Доступны для осмотра также жаровые трубы камеры сгорания. Управление режимами работы и диагностику технического состояния ГТУ осуществляет система автоматического управления газоперекачивающим агрегатом ГПА-16р «Урал» (САУ ГПА). Входное устройство представляет собой спрофилированный канал, обеспечивающий подвод воздуха в компрессор с минимальными потерями. Газогенератор (ГГ) состоит из следующих узлов: – корпуса промывки; – корпуса входного с центральным приводом и коробкой приводов; – компрессора; – камеры сгорания; – турбины. Корпус промывки с размещенными на ней двумя коллекторами системы промывки газовоздушного тракта двигателя, кроме того, предназначен для установки на нем датчиков измерения параметров воздуха на входе в двигатель и датчика противообледенительной системы двигателя. Входной корпус с центральным приводом и коробкой приводов является силовым элементом двигателя, стойки входного корпуса обогреваются воздухом противообледенительной системы двигателя и горячим маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя. На коробке приводов размещены приводные агрегаты, обеспечивающие работу систем двигателя. Кроме того на коробке приводов имеется запасной привод, который используется для проворачивания вала ротора ГГ вручную специальным ключом или электроприводом. Компрессор двигателя осевой тринадцатиступенчатый с дополнительной 0-й ступенью и с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) и поворотными направляющими аппаратами (НА) 0-й, 1-й и 2-й ступеней, с 19 управлением радиальными зазорами пяти последних ступеней и пневмоуправляемыми клапанами перепуска воздуха из-за 6-й, 7-й и 13-й ступеней. Детали проточной части компрессора имеют эрозионно-стойкое покрытие. Трубчато-кольцевая камера сгорания с двенадцатью жаровыми трубами и усиленным корпусом работает на газообразной топливной смеси. Турбина газогенератора осевая двухступенчатая охлаждаемая служит для привода компрессора и, через центральный привод, агрегатов, установленных на коробке приводов. Турбина имеет усиленный корпус и изготовлена с использованием коррозионностойких и жаропрочных материалов. Свободная (силовая) турбина (СТ) осевая трехступенчатая служит для привода нагнетателя ГПА с ротором газогенератора, имеет только газодинамическую связь. Модули ГГ и СТ соединяются друг с другом по ответным наружным фланцам на силовых корпусах ГГ и СТ и узлам подмоторной рамы. Трансмиссия, предназначенная для передачи крутящего момента ротору нагнетателя, через упругие муфты соединяет вал ротора СТ с валом ротора нагнетателя. Для исключения доступа к вращающимся узлам и деталям трансмиссия закрыта защитными вентилируемыми кожухами, которые смонтированы на выходном устройстве. Для снижения уровня звукового давления (шума), создаваемого при работе ГТУ, двигатель закрыт кожухом шумотеплоизолирующим (КШТ) который установлен на раме ГПА. Внутри на стенках КШТ размещены элементы систем ГПА – пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения, сигнализации повышенной концентрации газа и системы оповещения, обеспечивающие безопасность работы ГТУ в составе ГПА. Входное и выходное устройства ГТУ также размещены под кожухом. К входному устройству ГТУ подсоединен воздуховод ГПА с переходными элементами системы воздухоочистки, а к выходному устройству (улитке) –переходник к выхлопному тракту ГПА. 20 Двигатель ПС-90ГП-2 оборудован следующими системами: 1) системой топливопитания; 2) системой запуска двигателя; 3) системой смазки и суфлирования: 4) системой отборов воздуха; 5) противообледенительной системой. В табл. 5 приведены характеристики ГТД. На рис. 11 приведены графики изменения параметров двигателя по трактам газовоздушного тракта. Таблица 5 – Технические характеристики ГТД Модель ГТУ-16П Номинальная мощность, МВт Схема двигателя: - количество валов - количество ступеней Степень повышения давления в компрессоре Тип камеры сгорания Количество жаровых труб Номинальный КПД в простом цикле, % Расход выхлопных газов, кг/с Температура выхлопных газов, °С Частота вращения силовой турбины, об/мин Применяемое масло Безвозвратные потери масла, кг/час Назначенный ресурс, ч Межремонтный ресурс, ч Суммарная масса на раме с обвязкой, кг Габариты на раме (L×B×H), м 16,47 Двухвальная 14КВД+2ТВД+3СТ 19,6 Трубчато-кольцевая 12 36,3 57,2 466 5300 Петрим МС-8ГП, МС-8П 0,4 100000 25000 8000 5,5×2,5×2,5 Характеристики газотурбинного двигателя ГТУ-16П представлены на графиках (рис. 11). Рисунок 11 – Характеристики газотурбинного двигателя ГТУ-16П 21 Рисунок 12 – Изменение параметров двигателя по трактам газовоздушного тракта 22 23 Рисунок 13 – Кинематическая схема ГТУ-16П Рисунок 14 – Газотурбинная установка ГТУ-16П 24 Газоперекачивающие агрегаты ГПА-16р «УФА» Номинальная мощность ГТУ составляет 16 МВт. Поставщик – АО «Уфимское МПО» и ЗАО «Уфа-АвиаГаз». На рис. 15 показано шумоизолирующее укрытие ГПА-16р «Уфа», устанавливаемое на месте ГТК-10-4. Рисунок 15 – Шумоизолирующее укрытие ГПА-16р «Уфа», устанавливаемое на месте ГТК-10-4 В табл. 6 приведены производители основного оборудования ГПА-16р «Уфа». Таблица 6 – Производители основного оборудования ГПА-16р «Уфа» Оборудование Модель, тип Производитель Газотурбинная установка ГПА-16р «Уфа» Газотурбинный двигатель Варианты нагнетателей Мультипликатор привода нагнетателя Тип стартера АЛ-31СТ СПЧ 235 1,4/76 Отсутствует Уфимское МПО и Уфа-Авиагаз Уфимское МПО Компрессорный комплекс Отсутствует Воздухозаборный тракт Турбодетандер электрический Уфимское МПО КВОУ Самара-Авиагаз, ВНИИГАЗ и др. 25 Котел-утилизатор грейный водо- Аппарат воздушного охлаждения масла Агрегатная система управления Противопожарная система УТС-11/115 34.0159 и др. АВОМ-180 И АВОМ-190 МСКУ-СС 4510, МСКУ-5000 ППКУОП Гамма-01 Сумское НПО им. М.В. Фрунзе, Ухтинский ЭМЗ и др. Газхолодтехника НПФ Система-Сервис Пожарная автоматика сервис, Москва ОПИСАНИЕ ГПА-16р «УФА» ГПА-16р «Уфа» - газоперекачивающий агрегат мощностью 16МВт, серийно выпускаемый с 1998 года ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (УМПО) совместно с ЗАО «УфаАвиаГаз» для газовой промышленности. ГПА используется как при новом строительстве, так и при модернизации и реконструкции действующих компрессорных станций. Одно из наиболее распространенных направлений применения ГПА-16р – это реконструкция ГТК-10 (ОАО «Невский завод»), составляющих основную часть всех ГПА с газотурбинным двигателем, установленных на КС магистральных газопроводов в период с 1970 по 1985 гг. Всего было изготовлено 1030 ГТК10. Значительная часть ГПА выработала назначенный ресурс, агрегаты морально и физически устарели. Впервые ГПА-16р «Уфа» (КПД-36,5%) цехового исполнения применен для замены агрегатов ГТК-10-4 (КПД-29% с регенерацией) при реконструкции КС-18А «Москово» ООО «Газпром трансгаз Уфа», при этом в существующий корпус нагнетателя типа 235 установлена сменная проточная часть большой производительности. Всего на КС «Москово» за период 20022006 гг. введено в эксплуатацию пять агрегатов ГПА-16р «Уфа» (разработчик ОАО «УМПО») и один ГПА-16р-АЛ «Урал» (разработчик ОАО НПО «Искра»). Во всех этих ГПА в качестве привода нагнетателя используется ГТД АЛ-31СТ, изготовленный в ОАО «УМПО». С вводом новых агрегатов при той же производительности газопровода потребление топливного газа уменьшилось более, чем на 20%. В табл. 7 приведены технические характеристики ГПА. 26 Таблица 7 – Технические характеристики ГПА Газотурбинный двигатель АЛ-31СТ Номинальная мощность ГТД, МВт Номинальный эффективный КПД ГТД в станционных условиях, % Располагаемая тепловая мощность (при температуре уходящих из дымовой трубы газов 110 °С), Гкал/ч Производительность нагнетателей, нм3/ч·106 Номинальный расход топливного газа, кг/ч Необходимое давление топливного газа на входе в ГТУ, кгс/см2 Температура наружного воздуха, °С Применяемое масло для ГТД Применяемое масло для нагнетателя Безвозвозратные потери масла, кг/ч Время выхода на режим холостого хода с продувкой и прогревом, мин. Время выхода на номинальный режим, мин. Потребляемая мощность собственных нужд при работе ГПА под нагрузкой, кВт Масса (без котла утилизатора), т Масса наиболее тяжелого блока, т Габаритные размеры (L×B×H), м 16 35,5 21 1,3…1,8 3288 30 -55…+40 МС-8П ТП-22С 1,0 10 7 200 120 40 24×7×4 ОПИСАНИЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ АЛ-31СТ – двигатель мощностью 16 МВт и КПД 35,5%, выполнен по трехвальной схеме и имеет следующие конструктивные особенности: - двухвальный осевой компрессор с 4-ступенчатым КВД (общая степень сжатия 18,1); - входной направляющий аппарат первой ступени компрессора при околонулевых температурах окружающего воздуха обогревается горячим воздухом, отбираемым за седьмой ступенью КВД; - за КНД имеется канал для сброса воздуха в атмосферу, необходимый для устойчивой работы компрессора при запусках и остановах. Управление сбросом воздуха обеспечивает перепускной клапан; - низкоэмиссионная кольцевая камера сгорания (рис. 16) специально разработана для работы на газе; 27 - турбина газогенератора – двухступенчатая, имеет одну ступень ТВД и одну ступень ТНД; - силовая турбина – трехступенчатая, спроектированная специально для работы с нагнетателем. Рисунок 16 – Кольцевая низкоэмиссионная камера сгорания двигателя АЛ-31СТ с предварительной подготовкой топливно-воздушной смеси ГТД устанавливается на общей с силовой турбиной раме и закрепляется на ней в зоне силовой турбины – жестко, а в зоне промежуточного корпуса – на шарнирных опорах. Рама ГТУ имеет дополнительные подвижные опоры, позволяющие при разборке и сборке ГТУ иметь два самостоятельных модуля: модуль газогенератора и модуль силовой турбины. Сборку, разборку и замену модулей можно осуществлять в отдельности (рис. 17). 28 Рисунок 17 – Стыковка газогенератора АЛ-31СТ с силовой турбиной Характеристики газотурбинного двигателя АЛ-31СТ представлены на графиках (рис. 18). Рисунок 18 – Характеристики газотурбинного двигателя АЛ-31СТ На рис. 19-34 приведены схемы устройства и конструкции узлов ГПА-16р «Уфа». 29 Рисунок 19 – Газоперекачивающий агрегат ГПА-16р «Уфа» (технические характеристики) Рисунок 20 – Газоперекачивающий агрегат ГПА-16р «Уфа» (состав оборудования) 30 Рисунок 21 – Комплексное воздухоочистительное устройство КВОУ-62.Р.00 Рисунок 22 – Система охлаждения 31 Рисунок 23 – Система отбора воздуха в противообледенительную систему Рисунок 24 – Тракт выхлопа ГПА 32 Рисунок 25 – Газоотвод Рисунок 26 – Вал промежуточный 33 Рисунок 27 – Маслобак газотурбинного двигателя (технические характеристики) Рисунок 28 – Маслобак газотурбинного двигателя (состав оборудования) 34 Риуснок 29 – Фильтр основной ГПА (технические характеристики) Рисунок 30 – Фильтр грубой очистки 35 Риуснок 31 – Циклон-маслоотделитель Рисунок 32 – Система дополнительной фильтрации газа (блок фильтров) 36 Рисунок 33 – Система дополнительной фильтрации газа (фильтр топливного газа) Рисунок 34 – Система дополнительной фильтрации газа (фильтр пускового газа) 37 Газоперекачивающие агрегаты ГПА-10-01 «Волна» В газотранспортных системах СНГ на сегодняшнее время эксплуатируется около 350 агрегатов ГПА-10-01 с газотурбинными двигателями ДР59Л судового типа, в том числе 43 в Украине, 21 – в Казахстане, остальные на компрессорных станциях в ПАО «Газпром» (Россия). Газоперекачивающий агрегат номинальной мощностью 10 МВт поставлялся ОАО «Сумское НПО им. М.В.Фрунзе». В табл. 8 приведены производители основного оборудования агрегата ГПА-10-01. Таблица 8 – Производители основного оборудования ГПА-10-01 Оборудование Модель, тип Производитель Газотурбинная установка (ГТУ) Газотурбинный двигатель (ГТД) Центробежный нагнетатель (ЦБН) Редуктор привода нагнетателя Воздухозаборный тракт (КВОУ) Котел-утилизатор водогрейный Аппарат воздушного охлаждения масла Агрегатная система управления (АСУ) Противопожарная система ДР59Л СНПО им. М.В.Фрунзе, Констар (Кривой Рог) НПКГ Зоря-Машпроект, Констар (Кривой Рог) Невский з-д ДР59Л 370-18-1, 235-21-1 и др. Отсутствует КВОУ Отсутствует АВОМ Сумское НПО им. М.В. Фрунзе Сумское НПО им. М.В. Фрунзе Газхолодтехника МСКУ-5000 НПФ «Система-Сервис» МИЖУ-5/2,2 АРТСОК (Москва) УТА 4/115 ОПИСАНИЕ ГПА ГПА-10-01 – газоперекачивающий агрегат (ГПА), предназначенный для компримирования и транспортировки природного газа. ГПА представляет собой комплекс блочно-контейнерного оборудования в виде транспортабельных составных частей полной заводской готовности. 38 Поставка ГПА-10-01 на вновь строящиеся компрессорные станции СНГ относится к основном в 1979-85 гг. Технические характеристики ГПА-10-01 приведены в табл. 9. Таблица 9 – Технические характеристики ГПА-10-01 Модель ГТД ДР59Л Номинальная мощность привода, МВт Номинальный эффективный КПД привода в станционных условиях, % Располагаемая тепловая мощность (при температуре уходящих газов из дымовой трубы 110 ºС), Гкал/ч Производительность нагнетателя, нм3/ч∙106 Номинальный расход топливного газа (50056 кДж/кг), кг/ч Необходимое давление топливного газа на входе в ГТУ, кгс/см2 Температура наружного воздуха, ºС Применяемое масло Безвозвратные потери масла, кг/ч Масса без котла-утилизатора, т Масса наиболее тяжелого блока, т Габаритные размеры (L×B×H), м 10 27 16,8 0,75 2664 24 –16…+40 ТП-22С 1,25 193 40 26,3×16×14,4 Состав оборудования основных блоков и систем агрегата (рис. 35): - турбоблок в составе: газотурбинный двигатель, нагнетатель, муфта двигатель-нагнетатель, улитка выхлопная, грузоподъемные механизмы; - всасывающий тракт в составе: КВОУ с двумя ступенями очистки от механических примесей (циклонная и фильтры карманного типа) и автоматической системой подогрева циклового воздуха при возникновении условий обледенения, шумоглушитель всаса, камера всасывания, входной диффузор; - выхлопной тракт в составе: улитка выхлопная, выхлопное устройство, переходники, шумоглушитель выхлопа, водогрейный котел-утилизатор (при необходимости), труба выхлопная; - система маслоснабжения агрегата в составе: система смазки двигателя, система смазки нагнетателя, система уплотнительного масла нагнетателя; 39 - блок маслоохладителей с использованием пластинчато-ребристых теплообменников и осевых вентиляторов; - система вентиляции отсека двигателя; - система суфлирования; - модуль газового пожаротушения изотермический для жидкой двуокиси углерода МИЖУ-5/2,2 вместимостью 5 м3 при рабочем давлении 2,2 МПа; - агрегатная система автоматического управления и регулирования (АСУ). УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ Двигатель (рис. 36) состоит из следующих основных составных частей: компрессора низкого давления (ТНД) – 3, компрессора высокого давления (КВД) – 4, камеры сгорания (КС) – 5, турбины высокого давления (ТВД) – 6, турбины низкого давления (ТНД) – 7, силовой турбины (СТ) – 8 и выносной коробки приводов. Компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. Компрессоры и приводящие их во вращение турбины образуют два кинематически между собой не связанных каскада – каскада низкого и каскада высокого давления, которые вращаются с различными частотами вращения на каждом из режимов работы двигателя. Силовая турбина через рессору – 9 приводит во вращение нагнетатель и кинематически не связана с каскадами низкого и высокого давления. Принцип работы двигателя заключается в следующем. Воздух через входное устройство – 2 засасывается семиступенчатым компрессором низкого давления – 3, сжимается в нем и, проходя через переходник, предназначенный для плавного подвода воздуха, поступает в девятиступенчатый компрессор высокого давления – 4, где происходит окончательное сжатие воздуха. Из компрессора вы- 40 сокого давления сжатый воздух поступает в задний корпус, где в кольцевом диффузоре происходит снижение скорости потока воздуха, подводимого в камеру сгорания – 5. В камере сгорания сжигается природный газ, подаваемый через форсунки. Часть воздуха участвует в сгорании природного газа, а остальная часть охлаждает жаровые трубы камеры сгорания и, смешиваясь с продуктами сгорания, образует газ требуемой температуры, энергия которого используется в турбинах двигателя. Из камеры сгорания газ поступает в последовательно расположенные турбины высокого – 6 и низкого давления – 7 и в силовую турбину – 8. В турбинах происходит преобразование тепловой энергии горячих газов в механическую работу. Мощность, развиваемая турбинами высокого и низкого давления, используется для привода соответственно компрессоров высокого и низкого давления. Мощность, развиваемая силовой турбиной, используется для привода нагнетателя. Выносная коробка приводов приводится во вращение рессорой, соединенной с ротором КНД. 41 42 Рисунок 35 – Компоновка ГПА-10-01 в индивидуальном укрытии 1 – комплексное устройство воздухоподготовки; 2 – блок ГПА-10-01; 3 – нагнетатель центробежный; 4 – укрытие индивидуальное; 5 – обвязочные трубопроводы с запорной арматурой; 6 – редуктор; 7 – шахта эжекции; 8 – шахта выхлопа; 9 – коммуникации нагнетателя с рамой-маслобаком; 10 – система автоматического управления 43 1 3 4 5 6 7 8 Рисунок 36 – Конструктивная схема двигателя 1 – рессора блока агрегатов; 2 – входное устройство; 3 – компрессор низкого давления; 4 – компрессор высокого давления; 5 – камера сгорания; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления; 8 – турбина силовая; 9 – рессора 2 9 44 Рисунок 37 – Общий вид ГПА-10-01 УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОСНОВНЫХ ЧАСТЕЙ ДВИГАТЕЛЯ КОМПРЕССОР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Компрессор низкого давления (рис. 38) семиступенчатый предназначен для сжатия атмосферного воздуха и подачи его через переходник в компрессор высокого давления. Компрессор низкого давления состоит из входного устройства – 1, переднего корпуса – 2, корпуса КНД – 3, ротора КНД – 4, установленного на передней 8 и задней опорах. Входное устройство предназначено для плавного подвода атмосферного воздуха в компрессор и состоит из наружного – 19 и внутреннего – 18 обтекателей. Кольцевой канал между ними служит началом проточной части двигателя. Наружный обтекатель – 19 выполнен сварным, коробчатой конструкции, состоит из профилированной «д» и конической «е» стенок и фланцев «г» и «а». Фланцем «г» наружный обтекатель крепится к переднему корпусу компрессора, а на фланце «а» расположены отверстия для крепления диафрагмы, отделяющей воздухозаборную шахту двигателя от помещения на объекте. Внутренний обтекатель – 18 выполнен сварным, состоит из профилированной стенки и двух фланцев. Внутренний обтекатель крепится к переднему корпусу при помощи обтекателя – 15 и гайки – 17. Вместе с внутренним обтекателем к переднему корпусу крепится крышка лабиринта – 9, уплотнительные поверхности которого с уплотнительными гребешками корпуса муфты 10 образуют двухрядное лабиринтное уплотнение, ограничивающее масляную полость переднего корпуса со стороны входа воздуха в компрессор низкого давления. Эластичная муфта предназначена для компенсации излома осей ротора КНД – 4 и вала редуктора – 16 выносной коробки приводов и передачи крутящего момента от ротора КНД на вал редуктора – 16, состоит из корпуса муфты – 10, щетки муфты – 14 и втулки – 11, затянутых на валике – 12 гайками. С ротором 45 КНД эластичная муфта соединяется шлицами, а с валом редуктора выносной коробкой приводов – призонными болтами. Для разгрузки щеки муфты – 14 от осевых усилий, возникающих при тепловых расширениях, в муфте установлен упорный валик – 12, воспринимающий осевые усилия. На валике – 12 установлено регулировочное кольцо – 13 для регулировки зазора «в». Зазор «в» необходим для того, чтобы щетка муфты – 14, изгибаясь, могла воспринимать перекос вала редуктора – 16. Передняя цапфа ротора КНД – 4 через эластичную муфту редуктора передает крутящий момент на выносную коробку приводов при режимной работе двигателя. Передний корпус компрессора Передний корпус компрессора (рис. 39) предназначен для размещения входного направляющего аппарата – 7, служащего для подачи воздуха под необходимым углом на первую степень рабочих лопаток ротора КНД, передней опоры – 6 ротора КНД. Передний корпус состоит из наружной – 1 и внутренней – 4 стенок, жестко соединенных между собой шестью профилированными стойками. На наружной стенке закреплены: две цапфы – 12 для крепления двигателя на раме, фиксатор – 9 для поперечной фиксации двигателя, десять форсунок – 8 для промывки проточной части компрессора и два штуцера – 13 для замера статического давления в проточной части. На боковой стойке – 10 предусмотрен штуцер – 3 для замера давления в масляной полости переднего корпуса. Через фильтр – 2, сверление в стойке – 10 и далее по трубе подвода масла – 5 к коллектору подводится масло для смазки подшипников передней опоры ротора КНД. Через нижнюю вертикальную полую стойку – 11 масло сливается из переднего корпуса в расходный маслоотделительный бак. 46 Корпус компрессора низкого давления Корпус компрессора низкого давления (рис. 40), соединяясь с передним корпусом и переходником, представляет собой часть силовой схемы двигателя, он выполнен в виде малого усеченного конуса, усиленного поперечными и продольными ребрами жесткости. Корпус – 2 имеет разъем по горизонтальной плоскости. На корпусе имеются три расположенных по окружности отверстия, служащие для постановки приспособлений для фиксации ротора относительно компрессора при сборке и разборке двигателя. Отверстия заглушены пробками – 6. Внутри корпуса в шести цилиндрических проточках устанавливаются спрямляющие аппараты – 5, крепящиеся к корпусу винтами – 3, законтренными замками – 1. Для осмотра первой и последней ступеней ротора КНД предусмотрены окна, закрытые заглушками – 7. Ротор компрессора низкого давления Ротор компрессора низкого давления (рис. 41) барабанно-дисковой конструкции состоит из семи дисков – 3 с лопатками – 4, двух цапф: передней – 1 и задней – 6, лабиринтов 2 и 7 и трубы 8. Каждый диск имеет обод «а», на котором крепятся рабочие лопатки, профилированное полотно «в», переходящее в центральную ступицу «г». Диски второй – пятой ступени имеют барабанную часть «б». На барабанной части ротора между ступенями выполнены гребешки лабиринтных уплотнений. Диски последовательно соединяются между собой и с цапфами с натягом по центрующим поясам и штифтуются радиальными штифтами – 9. Рабочие лопатки установлены в пазах дисков своей замковой частью типа «ласточкин хвост» и фиксируются в осевом направлении спереди пластинчатыми замками – 10 и сзади цилиндрическими штифтами – 5. Ротор компрессора низкого давления имеет переднюю (рис. 42) и заднюю опоры (рис. 43). 47 КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Компрессор высокого давления (рис. 44) служит для окончательного сжатия воздуха, поступающего из компрессора низкого давления через переходник, и подачи его в камеру сгорания. Компрессор высокого давления состоит из: переходника – 1, корпуса КВД – 2 со спрямляющими аппаратами, ротора КВД – 3, установленного на передней – 7 и задней – 6 опорах, и заднего корпуса – 5. Ротор компрессора высокого давления Ротор компрессора высокого давления (рис. 45) барабанно-дисковой конструкции и состоит из девяти дисков – 7, с лопатками – 5, передней – 2 и задней – 10 цапф и трубы – 9. Конструкция дисков, их соединение между собой и с цапфами такое же, как и на роторе КНД. Труба – 9 предназначена для изоляции внутренней полости ротора от возможного попадания масла. Рабочие лопатки установлены в пазах дисков своей замковой частью типа «ласточкин хвост». Осевая фиксация лопаток осуществляется пластинчатым замком – 6, концы которых отгибаются на торцы лопаток. Ротор КВД установлен на двух опорах. Передняя опора – 3 роликовый подшипник, смонтирован в переходнике, воспринимает радиальные нагрузки ротора. Задняя опора – 12 роликовый и шариковый подшипники. 48 49 Рисунок 38 – Компрессор низкого давления а – фланец; г – фланец обтекателя; 1 – входное устройство; 2 – передний корпус; 3 – корпус КНД; 4 – ротор КНД; 5 - спрямляющий аппарат; 6 – переходник; 7 – задняя опора; 8 – передняя опора; 9 – крышка лабиринтная; 10 – корпус муфты; 11 – втулка; 12 – валик; 13 – кольцо регулировочное; 14 – щетка муфты; 15 – конус обтекателя; 16 – вал; 17 – гайка; 18 – обтекатель внутренний; 19 – обтекатель наружный 50 Рисунок 39 – Передний корпус компрессора 1 – наружная стенка; 2 – фильтр; 3 – штуцер; 4 – внутренняя стенка; 5 – труба подвода масла; 6 – передняя опора ротора КНД; 7 – входной направляющий аппарат; 8 – форсунка; 9 – фиксатор; 10, 11 – стойка; 12 – цапфа; 13 – штуцер 51 Рисунок 40 – Корпус компрессора низкого давления 1 – замок; 2 – корпус; 3 – винт; 5 – спрямляющий аппарат; 6 – пробка; 7, 8 – заглушка; 9 – замок 52 Рисунок 41 – Ротор компрессора низкого давления а – обод диска; б – барабанная часть диска; в – полотно диска; г – ступица диска; 1 – цапфа передняя; 2 – втулка лабиринта; 3 – диск; 4 – лопатка; 5 – штифт; 6 – задняя цапфа; 7 – втулка лабиринта; 8 – труба; 9 – штифт; 10 – замок 53 Рисунок 42 – Передняя опора ротора КНД а – воздушная полость в сливные отверстия; в – продольные отверстия для масла смазки; 1 – подшипники шариковые; 2 – коллектор; 3 – корпус; 4 – форсунка; 5 – крышка передней опоры; 6 – крышка; 7 - втулка лабиринта; 8 – маслоотражатель; 9 – распорные кольца; 11 – передняя цапфа 54 Рисунок 43 – Задняя опора ротора КНД 1 – вал; 2 – маслоотражатель; 3 – цапфа задняя; 4 – втулка лабиринта; 5 – крышка лабиринта; 6 – крышка; 7 – стенка задней опоры; 8 – коллектор подвода масла; 9 – подшипник роликовый; 10 – гайка зажимная; 11 – штифт контровочный; 12 – кольцо регулировочное 55 Рисунок 44 – Компрессор высокого давления 1 – переходник; 2 – корпус; 3 – ротор КВД; 4 – спрямляющий аппарат; 5 – корпус задний; 6 – опора задняя КВД; 7 – передняя опора КВД; 8 – корпус; 9 – датчик замера оборотов КВД; 10 – отверстие для ключа ручной прокрутки ротора КВД 56 Рисунок 45 – Ротор компрессора высокого давления 1 – гайка; 2 – передняя цапфа; 3 – передняя опора; 4 – передняя лабиринтная втулка; 5 – лопатка; 6 – замок; 7 – диск; 8 – штифт; 9 – труба; 10 – задняя цапфа; 11 – задняя лабиринтная втулка; 12 – задняя опора; 13 – шлицевая втулка 57 Рисунок 46 – Общий вид КНД, КВД агрегата КАМЕРА СГОРАНИЯ Камера сгорания (рис. 47) предназначена для передачи тепла рабочему телу – воздуху, поступающему из компрессора, за счет непрерывного сжигания в нем, как в окислителе, топлива – природного газа. По конструкции камера сгорания является трубчато-кольцевого типа с горизонтальным разъемом кожухов. Горизонтальные разъемы кожуха камеры сгорания уплотняются с помощью вкладышей – 11. В местах соединений кожуха камеры сгорания с фланцами заднего корпуса КВД с корпуса соплового аппарата горизонтальные разъемы уплотняются с помощью прокладок – 12, прижимаемых планками – 13. Применение такой конструкции позволяет производить осмотр и замену жаровых труб в условиях эксплуатации без разборки всего двигателя. Камера сгорания состоит из: кожуха камеры сгорания – 5, десяти жаровых труб – 6, кожуха вала турбины – 7, десяти топливных форсунок – 4, диффузора камеры сгорания – 3, коллектора газового – 1, десяти труб подвода газа – 2, двух воспламенителей – 8. Топливо – природный газ подводится в камеру сгорания по кольцевому коллектору, расположенному вокруг корпуса КВД. Проточная часть камеры сгорания выполнена следующим образом: спрямляющий аппарат на выходе из КВД плавно переходит в диффузор камеры сгорания, в котором происходит торможение потока воздуха и подача его по кольцевому каналу камеры сгорания. Распределение воздуха по длине камеры сгорания производится отверстиями в жаровых трубах. Топливо в головную часть жаровых труб подается с помощью десяти форсунок. Каждая жаровая труба – 6 в головной части опирается на два фиксатора – 10, которые фиксируют ее в определенном положении, хвостовая часть жаровой трубы входит в гнездо соплового аппарата – 1 ступени ТВД. Тепловое расширение жаровой трубы происходит в сторону турбины, для чего между торцом трубы и сопловым аппаратом ТВД предусмотрен зазор. 58 Между собой жаровые трубы соединены десятью пламяперебрасывающими патрубками – 9, к двум из которых подходят патрубки от воспламенителей – 8. Кожух камеры сгорания – 5 является силовым узлом двигателя. Передним фланцем кожух крепится к заднему корпусу КВД, задним – к наружному корпусу соплового аппарата первой ступени ТВД. Корпус камеры сгорания имеет горизонтальный разъем. Жаровая труба Жаровые трубы (рис. 48) являются основным узлом камеры сгорания. Каждая жаровая труба состоит из завихрителя – 1, входного конуса – 2, экрана – 3, проставки – 4, конических обечаек – 5, 6, 7, 8, обечайки смесителя – 9 и смесителя – 10 сложной формы, обеспечивающего плавный переход от цилиндрического сечения жаровой трубы к кольцевому сечению соплового аппарата первой ступени ТВД. Все детали жаровой трубы изготовлены из жаростойкого материала и соединены между собой аргонно-дуговой сваркой. Воздух, поступающий в жаровые трубы камеры сгорания, распределяется следующим образом: - около 25% всего воздуха (первичный воздух) поступает через завихритель, отверстия в экране, проставке и основные отверстия в первой обечайке в зону горения; - около 50% воздуха идет через отверстия смесителя; - около 25% воздуха идет на охлаждение стенок жаровых труб. Воздух, поступающий через два ряда больших отверстий смесителя, перемешивается с горячим газом и создает требуемое поле температур газового потока перед ТВД. Охлаждение стенок жаровой трубы – комбинированное. Снаружи стенки жаровой трубы охлаждаются воздухом, движущимся по кольцевому каналу. 59 Внутреннее охлаждение пленочное, осуществляется следующим образом: места сочленения конических обечаек выполнены так, что они образуют ряд кольцевых щелей по длине жаровой трубы. Воздух из кольцевого канала камеры сгорания через отверстия в гофре конических обечаек проходит в кольцевую щель и сливается в сплошную кольцевую пленку, которая омывает внутреннюю поверхность обечаек. Длина обечаек выбрана из условия омывания их воздушной пленкой на всей длине обечайки. Внутренняя поверхность жаровых труб покрыта жаростойкой эмалью, которая защищает металл обечаек от межкристаллитной газовой коррозии. На первой обечайке – 5 жаровой трубы приварены две втулки 11 и 12. Во втулку – 12 вставляется пламяперебрасывающий патрубок – 13, который фиксируется от выпадания замком, другим концом патрубок при сборке вставляется во втулку – 11 соседней жаровой трубы. На второй обечайке приварены две втулки – 15 для установки фиксаторов. Воспламенитель Воспламенитель (рис. 49) выполнен в виде небольшой камеры сгорания, которая дает первоначальный факел, разжигающий топливо в основной камере сгорания. В центральной части корпуса воспламенителя расположена пусковая форсунка – 3, через которую природный газ во время запуска подается в полость воспламенителя. Перед пусковой форсункой расположен сетчатый фильтр – 2, очищающий природный газ от механических примесей. На корпусе воспламенителя есть штуцер для запальной свечи – 4, работающей от агрегата зажигания. Воздух в корпус воспламенителя поступает из кольцевого пространства камеры сгорания через отверстия во втулке корпуса. Подача природного газа в основные форсунки камеры сгорания производится только после появления устойчивого пускового факела в обоих воспламенителях. 60 61 14 6 Рисунок 47 – Камера сгорания 5 7 1 – коллектор газовый; 2 – труба подвода; 3 – диффузор; 4 – топливная форсунка; 5 – кожух камеры сгорания; 6 – жаровая труба; 7 – кожух вала турбины; 8 – воспламенитель; 9 – патрубок пламяперебрасывающий; 10 – фиксатор; 11 – вкладыш; 12 – прокладка; 13 – планка; 14 – фланец для осмотра 4 62 Рисунок 48 – Жаровая труба 1 – завихритель; 2 – конус входной; 3 – экран; 4 – проставка; 5 – первая обечайка; 6 – вторая обечайка; 7 – третья и четвертая обечайка; 8 – пятая обечайка; 9 – обечайка смесителя; 10 – смеситель; 11,12 – втулки; 13 – патрубок пламяперебрасывающий; 14 – обойма; 15 – втулка фиксатора 63 Рисунок 49 – Воспламенитель 1 – корпус; 2 – фильтр сетчатый; 3 – форсунка; 4 – свеча СПЭ-6; 5 – втулка; 6 – корпус 64 Рисунок 50 – Камера сгорания ГПА ТУРБИНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Турбина высокого давления (рис. 51) приводит во вращение компрессор высокого давления. Турбина высокого давления – осевая, реактивная, двухступенчатая. Каждая ступень турбины образуется рядом сопловых лопаток, закрепленных в неподвижном корпусе соплового аппарата и следующим за ним рядом рабочих лопаток, закрепленных на диске ротора. Турбина высокого давления состоит из соплового аппарата 1-й ступени – 4, соплового аппарата 2-й ступени – 5, ротора ТВД – 1 и опорного венца ТВД – 6. Ротор турбины высокого давления Ротор турбины высокого давления (рис. 52) состоит из полого вала – 3, двух облопаченных дисков – 4 и 13, лабиринта – 15, лабиринтной втулки – 20 и восьми секторов – 6 с лабиринтными гребешками. Вал турбины соединен с дисками в один неразъемный узел с помощью выступов, выполненных на дисках, и радиальных штифтов – 5, обеспечивающих возможность теплового расширения сопрягаемых деталей в радиальном направлении при сохранении взаимной центровки. Выпадание штифтов от действия центробежных сил предотвращается кольцами – 14, вставленными в кольцевые канавки дисков первой и второй ступеней. На переднем конце вала по наружному диаметру нарезаны шлицы для соединения со шлицевой втулкой КВД. Сзади на вале установлены лабиринт –15 и лабиринтная втулка – 20. На наружном ободе дисков первой и второй ступеней протянуты елочные пазы для постановки рабочих лопаток – 9 и 11. Спереди на полке рабочей лопатки – 9 предусмотрен выступ, который входит в паз кольца экрана соплового аппарата первой ступени и образует уплотнение, препятствующее перетеканию газа из проточной части в полость между экраном соплового аппарата первой ступени и диском первой ступени. Сбоку на 65 полке имеется канавка для постановки ролика – 8, который, перемещаясь под действием центробежной силы, закрывает зазор между полками соседних лопаток и препятствует вытеканию охлаждающего воздуха. Передней опорой ТВД является задняя опора ротора КВД. ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Турбина низкого давления (рис. 53) приводит во вращение компрессор низкого давления. Турбина низкого давления – осевая, реактивная, двухступенчатая. Состоит из соплового аппарата 3-й ступени – 1, соплового аппарата 4-й ступени – 3, ротора ТНД – 2 и опорного венца ТНД. Передним концом вал ротора ТНД внутренними шлицами соединен с внутренним валом КНД и передает крутящий момент от ротора турбины на ротор компрессора. Внутренний вал КНД затягивается стяжкой – 8, с упором в сферические кольца – 9 и 10, контрится втулкой шлицевой – 7, заглушкой – 6 и гайкой – 4. Заглушка – 6 исключает попадание масла во внутреннюю полость ротора ТНД. Ротор турбины низкого давления Ротор турбины низкого давления (рис. 54) состоит из вала ТНД – 6, диска турбины 3-й ступени – 10, диска турбины 4-й ступени – 16, лопаток турбины 3-й и 4-й ступеней – 13 и 15, лабиринтов – 7 и 19, лабиринтных втулок – 1 и 25 и секторов – 9. Вал турбины соединен с дисками с помощью радиальных штифтов – 8, обеспечивающих возможность теплового расширения деталей в радиальном направлении при сохранении взаимной центровки. Выпадение штифтов от действия центробежных сил предотвращается кольцами – 18, вставленными в кольцевые канавки дисков третьей и четвертой ступеней. 66 На переднем и заднем концах вала напрессованы лабиринты – 7 и 19 и лабиринтные втулки – 1 и 25. Внутри вала имеются шлицы и два посадочных места для центровки внутреннего вала. На ободе дисков третьей и четвертой ступеней протянуты елочные пазы для постановки рабочих лопаток – 13 и 15. Рабочие лопатки по конструкции аналогичны рабочим лопаткам турбины высокого давления. Передняя и задняя опоры – роликовые подшипники -4 и 21, внутренние обоймы которых установлены соответственно на лабиринтных втулках – 1 и 25 и зажаты гайками 2 и 24. Наружная обойма подшипника передней опоры – 4 устанавливается в опорном венце ТВД, наружная обойма подшипника задней опоры – в опорном венце ТНД. Осевое положение внутренней обоймы относительно наружной устанавливается регулировочными кольцами – 5 и 20. Конструкция опор аналогична конструкции задней опоры ротора ТВД. СИЛОВАЯ ТУРБИНА Силовая турбина (рис. 55) приводит во вращение нагнетатель. Силовая турбина – осевая, реактивная, двухступенчатая. Состоит из опорного венца ТНД – 1, соплового аппарата 5-й ступени – 2, соплового аппарата 6-й ступени – 3, опорного венца силовой турбины – 4 и ротора силовой турбины – 14. Вращение от ротора силовой турбины на нагнетатель передается через рессору – 6 и фрикционную муфту предельного момента. Задняя опора ротора силовой турбины размещена в опорном венце силовой турбины – 14 и состоит из шарикового подшипника – 13, роликового подшипника – 9, маслоотражательного кольца – 10 и 11. Пакет подшипников зажимается гайкой – 7. Передняя опора ротора силовой турбины размещена в опорном венце ТНД и состоит из роликового подшипника – 15, зажатого гайкой – 17. Для подачи 67 масла в систему регулирования двигателя служит импеллер – 20. Импеллер посажен на втулку, которая связана с ротором силовой турбины с помощью штифтов. Давление, создаваемое импеллером, пропорционально оборотам ротора силовой турбины. Импеллер находится в полости, образованной корпусом импеллера – 23 и крышкой – 22. Полость нагнетателя уплотняется бронзовыми кольцами – 19. Ротор турбины Ротор турбины силовой (рис. 56) предназначен для превращения тепловой энергии в механическую работу, передаваемую через рессору на нагнетатель. Ротор состоит из диска 5-й ступени – 9, диска 4-й ступени – 19, рабочих лопаток турбины 5-й ступени – 12 и 6-й ступени – 15, вала – 28, и эластичной муфты – 22. Вал с диском соединен в один неразъемный узел с помощью радиальных штифтов – 10, обеспечивающих возможность теплового расширения сопрягаемых деталей в радиальном направлении при сохранении взаимной центровки. Выпадение штифтов от действия центробежных сил предотвращается кольцами – 14, вставленными в кольцевые канавки дисков. На переднем и заднем концах вала напрессованы лабиринтные втулки – 20 и 30, на которые посажены лабиринты – 21 и 29. На переднюю лабиринтную втулку – 30 установлено регулировочное кольцо – 31, внутренняя обойма роликового подшипника – 22, зажатые гайкой – 7. Гайка – 7 контрится шайбой – 8. С целью устранения перетекания газа из проточной части мимо соплового аппарата на валу – 28 между дисками выполнены гребешки, которые в сочетании с уплотнительной крышкой соплового аппарата 6-й ступени образуют уплотнение. 68 Муфта Муфта эластичная (рис. 57) предназначена для передачи крутящего момента с вала силовой турбины на нагнетатель и состоит из корпуса – 3 и щеки – 2, соединенных между собой болтами – 1. Корпус – 3 соединен с валом силовой турбины шлицами. Щека – 2 имеет сзади фланец со шлицами, к которому присоединяется рессора. На щеке – 2 предусмотрены шлицы «а», которые имеют срезанные через один зубья. Непосредственного участия в передаче крутящего момента они не принимают, а вступают в работу в случае выхода из строя щеки муфты. На корпусе установлены лабиринты – 4 и 5, которые в сочетании с задней крышкой опорного венца силовой турбины образуют уплотнение масляной полости опорного венца силовой турбины. 69 70 Рисунок 51 – Турбина высокого давления 1 – ротор ТВД; 2 – кожух вала; 3 – проставка; 4 – сопловой аппарат 1-й ступени; 5 – сопловой аппарат 2-й ступени; 6 – опорный венец ТВД; 7 – подшипник роликовый 71 Рисунок 52 – Ротор турбины высокого давления 1 – кольцо; 2 – гайка; 3 – вал; 4 – диск турбины 1-й ступени; 5 – штифты; 6 – сектор; 7 – грузик; 8 – ролик; 9 – лопатка турбины 1-й ступени; 10 – замки; 11 – лопатка турбины 2 –й ступени; 12 – грузик; 13 – диск турбины 2-й ступени; 14 – кольцо; 15 – лабиринт; 16 – кольцо регулировочное; 17 – подшипник; 18 – шайба-замок; 19 – гайка; 20 – втулка лабиринтная 72 Рисунок 53 – Турбина низкого давления 1 – сопловой аппарат 3-й ступени; 2 – ротор ТНД; 3 – сопловой аппарат 4-й ступени; 4 – гайка; 5,12 – подшипник роликовый; 6 – заглушка; 7 – втулка шлицевая; 8 – стяжка; 9,10 – кольцо сферическое; 11 – кольцо регулировочное 73 Рисунок 54 – Ротор турбины низкого давления 1 – втулка лабиринтная; 2 – гайка; 3 – шайба-замок; 4 – подшипник; 5 – кольцо регулировочное; 6 – вал ТНД; 7 – лабиринт; 8 – штифты; 9 – сектор; 10 – диск турбины 3-й ступени; 11 – грузик; 12 – ролик; 13 – лопатка турбины 3-й ступени; 14 – замки; 15 – лопатка турбины 4-й ступени; 16 – диск турбины 4-й ступени; 17 – грузик; 18 – кольцо; 19 – лабиринт; 20 – кольцо регулировочное; 21 – подшипник; 22 – шайба-замок; 23 – втулка; 24 – гайка; 25 – втулка лабиринтная 74 Рисунок 55 – Силовая турбина 1 – опорный венец ТНД; 2 – сопловой аппарат 5-й ступени; 3 – сопловой аппарат 6-й ступени; 4 – опорный венец силовой турбины; 5 – мута; 6 – рессора; 7, 17 – гайка; 8 – кольцо маслоотражательное; 9,15 – подшипник роликовый; 10,11 – кольцо распорное; 12,16,18 – кольцо регулировочное; 13 – подшипник шариковый; 14 – ротор; 19 – кольцо; 20 – импеллер; 21 – жиклер; 22 – крышка; 23 – корпус; 24 – труба отвода масла от импеллера 75 Рисунок 56 – Ротор турбины силовой 1, 7, 25 – гайка; 2,8 – шайба-замок; 3,4,5 – кольцо; 6 – импеллер; 9 – диск турбины 5-й степени; 10 – штифт; 11,18 – грузик; 12 – лопатка турбины 5-й ступени; 13 – замки; 14 – кольца; 15 – лопатка турбины 6-й ступени; 16 – штифт; 17, 21, 29 – лабиринт; 19 – диск турбины 4-й ступени; 20, 30 – лабиринтная втулка; 22 – эластичная муфта; 23 – фланец; 24, 33 – втулка; 26 – болт; 27 – корпус; 28 – вал турбины; 31, 34 – кольцо регулировочное; 32 – обойма роликового подшипника 76 Рисунок 57 – Муфта а – шлицы; 1 – болт; 2 – щека; 3 – корпус муфты; 4, 5 – лабиринт 77 Рисунок 58 – Общий вид агрегата (ТВД, ТНД) Рисунок 59 – Пусковая турбина (вид спереди) Рисунок 60 – Пусковая турбина (вид сбоку) 78 СИСТЕМА СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ Система смазки двигателя (рис. 61) предназначена для смазки и охлаждения опорных узлов двигателя и коробки приводов. В систему смазки двигателя входят следующие основные узлы: расходный масляный бак – 15 с подогревателем масла, навешены масляный насос – 2, электронасос – 17, маслоохладитель – 1, фильтр – 9, защитные фильтры – 11, центрифуги – 3, а также системы трубопроводов. Кроме того, в системе смазки установлены приборы контроля, защиты и автоматики, манометр – 7, термометры – 12, датчик реле разности давлений – 8, реле минимального (максимального) уровней масла в баке, сигнализаторы давления –10 и магнитный стружка улавливатель – 13. Навешенный насос – 2 и электронасос – 17 в начальный период запуска ГПА работают параллельно. Они забирают масло из расходного бака – 15 и подают его в общую нагнетательную магистраль. Небольшое количество масла подается от электронасоса через дроссельные отверстия на заливку входной полости навешенного масляного насоса – 2 для улучшения всасывающей способности. Через маслоохладитель – 1 и фильтр – 9 масло поступает к подшипникам компрессоров и турбин, к импеллеру, коробке приводов. В местах подвода масла к каждому узлу установлены защитные фильтры, которые предохраняют от случайного засорения отверстия маслоподводящих спрейеров. Отработанное масло из масляных полостей двигателя самотеком сливается через одну общую трубу в расходный масляный бак – 15. Из коробки приводов, установленный на маслобаке – 15, масло сливается непосредственно в бак. Воздух, смешиваясь с маслом в подшипниковых узлах ГТД, образует масло-воздушную смесь, которая путем суфлирования маслобака через коробку приводов попадает в центрифуги – 3, где происходит отделение масла обратно в маслобак. Очищенный от масла воздух отводится из центрифуг – 3 в газоотвод. При нажатии на кнопку ПУСК или после поворота ключа УПРАВЛЕНИЕ в положение АП включается электронасос – 17, а с началом вращения контура 79 низкого давления двигателя вступает в работу также и навешенный насос – 2, имеющий привод через выносную коробку приводов от КНД. При достижении заданной частоты вращения вала КНД по сигналу центробежного датчика – 6 электронасос отключается и масло подается в систему только навешенным масляным насосом – 2. При остановке двигателя по сигналу того же датчика – 6 электронасос включается в работу и продолжает работать и после полной остановки двигателя для охлаждения подшипников. После остановки ГТД электронасос можно отключить кнопкой СТОП, или он отключается сам через 15 мин после остановки ГТД. Температура подводимого к двигателю масла и температуры сливаемого из опор масла замеряются дистанционными термометрами – 12. Для контроля величины загрязнения фильтра – 9 служит датчик-реле разности давлений – 8, сигнализирующий о превышении перепада давления в фильтре сверх допустимого. Для выдачи сигнала на аварийную остановку агрегата по падению давления масла смазки двигателя ниже допустимой величины, служит сигнализатор давления – 10. Защита по давлению включается и отключается по сигналу центробежного датчика – 6. СИСТЕМА СМАЗКИ НАГНЕТАТЕЛЯ Система смазки нагнетателя (рис. 62) обеспечивает подачу масла на смазку, подпор уплотнений и к элементам защиты и управления нагнетателя. Система включает следующие основные агрегаты: насос масляный центробежный – 29, винтовой насос высокого давления – 34, имеющий привод от выносной передней коробки приводов, центробежный электронасос –24, винтовой электронасос высокого давления – 8, фильтры – 5 и 10, маслоохладитель – 80 30, поплавковая камера – 20, газоотделитель – 19, аккумулятор масла – 11, расходный масляный бак – 22, инжектор – 23, клапан постоянного давления – 31, клапан обратный сдвоенный – 33, а также приборы управления и защиты, манометры – 9 и 27, термометры – 3, сигнализаторы давлений – 7, 25, 28, 32, датчик – реле разности давлений – 4, регулятор перепада давлений – 2 и трубопроводы. Масло из расходного маслобака – 22 через подводящий трубопровод поступает к центробежному электронасосу – 24 и через инжектор – 23 к навешенному центробежному насосу – 29. Инжектор – 23 создает необходимое избыточное давление на входе в насос, расположенный выше уровня масла в маслобаке. Масло от центробежных насосов поступает к сдвоенному обратному клапану – 33, который пропускает в нагнетающую магистраль масло от насоса, создающего в данный момент большее давление. После сдвоенного обратного клапана масло поступает: через фильтр в систему регулирования двигателя и к клапану – 26 управления муфтой включения пусковой турбины; на сопло инжектора – 23; к клапану постоянного давления – 31. После клапана постоянного давления масло проходит через маслоохладитель – 30, далее через фильтр – 5 и поступает к упорному подшипнику нагнетателя; через дополнительный фильтр – 10 к реле осевого сдвига нагнетателя; на вход винтовых насосов высокого давления – навесного – 34 и электронасоса – 8. После винтовых насосов высокого давления масло через аккумулятор масла – 11 поступает к нагнетателю на подпор лабиринтных уплотнений. Регулятор перепада – 15 поддерживает давление масла на выходе из винтовых насосов на 1,5…3 кгс/см2 выше давления газа за лабиринтными уплотнения нагнетателя, перепуская часть масла в магистраль перед винтовыми насосами. Масло из уплотнений нагнетателя через поплавковую камеру в газоотделитель возвращается в расходный масляный бак. Сюда же сливается масло из подшипников передней опоры нагнетателя. Масло, сливаемое из системы регулирования, из клапанов – 26 и 31, из уплотнений насосов 8, 24, 29 и 34 сливается 81 в расходный масляный бак. При запуске установки начинают работать электронасосы – центробежный – 24 и винтовой – 8. При возрастании оборотов контура низкого давления двигателя повышается давление за навешенным центробежным насосом – 29, а навешенный винтовой насос – 34 начинает подавать масло параллельно с винтовым электронасосом –8. Когда давление за навешенным центробежным насосом – 29 превысит давление за центробежным насосом – 24, сдвоенный обратный клапан перекроет подачу масла от электронасоса и откроет проход масла от навешенного насоса. При достижении заданного давления за навешенным насосом – 29 по сигналу сигнализатора давления – 32 электронасосы – 24 и 8 отключаются и продолжают работать навешенные насосы – 29 и 34. При остановке двигателя процесс происходит в обратном порядке. Сигнал для аварийной остановки двигателя при падении перепада давления «масло-газ» в системе уплотнения выдает реле перепада – 17. Сигнализаторы давления – 25, установленные на трубах подвода масла к реле осевого сдвига ротора нагнетателя в осевом направлении, выдают сигнал на аварийную остановку двигателя. При остановке нагнетателя в случае исчезновения электроэнергии для удержания необходимого перепада давлений «масло-газ» в процессе остановки служит аккумулятор масла – 11. Объем аккумулятора обеспечивает необходимое количество масла до полной остановки нагнетателя. Маслосистема оборудована приборами теплоконтроля и приборами для замера давления. 82 83 Рисунок 61 – Система смазки двигателя 1 – маслоохладитель; 2 – насос масляный; 3 – центрифуги; 4,5,6 – центробежный датчик; 7 – манометр; 8 – датчик-реле разности давления; 9 – фильтр; 10 – сигнализатор давления; 11 – защитный фильтр; 12 – термометр; 13 – магнитный стружка улавливатель; 14 – коробка приводов; 15 – расходный масляный бак; 16 – реле уровня масла; 17 – электронасос 84 1 – фильтр; 2 – сигнализатор давления; 3 – термометр; 4 – реле разности давлений; 5 – фильтр; 7,25,28,32 – сигнализатор давления; 8 – электронасос; 9,27 – манометр; 10 – фильтр; 11 – аккумулятор масла; 14 – дифманометр; 15 – регулятор перепада; 16 – вентиль запорный; 17 – реле перепада; 19 – газоотделитель; 20 – поплавковая камера; 21 – реле уровня масла; 22 – расходный масляный бак; 23 – инжектор; 24 – электронасос; 25 – сигнализатор; 26 – клапан управления муфтой; 29 – насос масляный; 30 – маслоохладитель; 31 – клапан постоянного давления; 33 – клапан обратный сдвоенный; 34 – насос высокого давления Рисунок 62 – Система смазки нагнетателя ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАГНЕТАТЕЛИ ПРИРОДНОГО ГАЗА Центробежный нагнетатель – центробежная компрессорная машина с приводом от газотурбинной установки. Нагнетателями принято называть лопаточные компрессорные машины с соотношением давления сжатия свыше 1,1 и не имеющие специальных устройств для охлаждения газа в процессе его сжатия. Газоперекачивающие агрегаты ГПА-12р(16р) «Урал» оснащаются нагнетателями типа СПЧ 370 (сменная проточная часть для нагнетателя типа 370- 18-1). Газодинамические характеристики центробежных нагнетателей приведены на рис. 63 и 64. Технические характеристики центробежных нагнетателей приведены в табл. 10. Таблица 10 – Технические параметры СПЧ Наименование параметра Производительность объемная, отнесенная к 20 °С и 0,1013 МПа, м3/сут. Производительность массовая, кг/с Давление газа конечное, абсолютное, при выходе из нагнетательного патрубка, МПа Отношение давлений Тип СПЧ 370 1,4/76-5300 (для ГПА-16р «Урал») 370 1,45/76-6500 (для ГПА-12р «Урал») 33·106 23,45·106 260,5 185 7,45 7,45 1,4 1,45 0,82 0,83 385 284 5200 6500 Политропный КПД нагнетателя не менее Производительность объемная, отнесенная к начальным условиям, м3/мин Номинальная частота вращения ротора нагнетателя, об/мин. Газоперекачивающие агрегаты ГПА-16р «Уфа» оснащаются нагнетателями типа СПЧ 235 (сменная проточная часть для нагнетателя типа 235-21- 1). Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя приведены на рис. 65. Технические характеристики центробежных нагнетателей приведены в табл. 11. 85 Таблица 11 – Основные параметры нагнетателя типа СПЧ 235 1,4/765300АЛ Наименование параметра Значение Производительность объемная, отнесенная к 20 0С и 0,1013 МПа, млн.м3/сут. Производительность объемная, отнесенная к условиям всасывания, м3/мин. Давление газа конечное на выходе из нагнетателя, МПа Степень сжатия Политропный КПД, не менее Мощность, потребляемая нагнетателем на муфте, МВт Частота вращения ротора, об/мин Тип привода 35,0 408 7,45 1,4 0,83 15,8 5300 АЛ-31СТ Газоперекачивающие агрегаты ГПА-10-01 оснащаются двумя типами центробежных нагнетателей завода-изготовителя АО «Невский завод» (НЗЛ): - неполнонапорный одноступенчатый – 370-18-1; - полнонапорный двухступенчатый – 235-21-1. Заводом НЗЛ приняты следующие обозначения, например: 370-18-1, здесь 370 – объемная производительность по условиям всасывания, м3/мин; 1 – число ступеней; 8 – модификация проточной части; 1 – тип привода (газотурбинный двигатель). Газодинамические характеристики центробежных нагнетателей типа 370-18-1 и 235-21-1 приведены на рис. 66 и 67. Технические характеристики центробежных нагнетателей приведены в табл. 12. Таблица 12 – Номинальные параметры центробежных нагнетателей 370-18-1 и 235-21-1 Наименование параметра Давление на входе/выходе, кгс/см Степень сжатия Производительность коммерческая, млн.м3/сут. Производительность объемная, млн.м3/сут. Политропный КПД Номинальные обороты, об/мин 2 Тип нагнетателя 370-18-1 52,8/62,0 или 62,0/76,0 1,23 86 235-21-1 52,8/76,0 1,44 36 18 370 0,85 4800 217 0,82 4800 87 Рисунок 63 – Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя типа СПЧ 370 1,4/76-5300 88 Рисунок 64 – Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя типа СПЧ 370 1,45/76-6500 89 Рисунок 65 – Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя типа СПЧ 235 1,4/76-5300АЛ 90 Рисунок 66 – Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя типа 370-18-1 91 Рисунок 67 – Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя типа 235-21-1 Система представления газодинамических характеристик центробежных нагнетателей Для центробежных нагнетателей разработана единая форма представления газодинамических характеристик в виде графических зависимостей степени сжатия (отношения давлений) от объемной производительности Q по условиям всасывания и относительной коммерческой производительности вращения ротора в диапазоне их относительных величин n n ном qк . Частота рн 0,70 1,10 с ша- гом 0,05. На поле характеристик нанесены линии постоянного политропного КПД пол и относительной внутренней мощности Ni с указанием их величин. pн Для двухсекционных (двухкорпусных) центробежных нагнетателей газодинамические характеристики представлены в вариантах последовательного и параллельного подключения секций. Пример расчета газодинамических характеристик центробежного нагнетателя Задано: Тип центробежного нагнетателя 235-21-1 Газодинамическая характеристика в соответствии с рисунком 23 Расчетные параметры: Номинальная частота вращения n ном 4800 об / мин Механический КПД: мех 0,99 Свойства газа: k=1,312 R=507,9 Дж/(кг K) z=0,9 92 Параметры рабочей точки: Термодинамические параметры Тн=288 K Рн=5,32 МПа Рк=7,45 МПа Коммерческая производительность q к 19 млн. м3 / сут. Определить: Частоту вращения ротора нагнетателя n, об/мин Политропный КПД пол Внутреннюю мощность Ni Эффективную мощность привода Nэ Удаленность от границы помпажа Q Q min 100% Q Определение рабочих параметров: Степень сжатия нагнетателя Относительная коммерческая производительность qк 19,0 0,35 Р н (100 5,32 / 9,81) Pк 7,45 1,40 Р н 5,32 Объемный расход по условиям всаса Q 220 м3 / мин (по характеристике) Политропный КПД (по характери- пол. 0,96 стике) Внутренняя мощность Ni Ni (100 Р н / g) Pн 152 (100 5,32 / 9,81) 8243,0 кВт Эффективная мощность привода Удаленность от границы помпажа Nэ Ni 8243,0 8326,3 кВт мех 0,99 Q Q min 220 165 100% 100% 25 % Q 220 Вывод: рабочая точка находится на достаточном удалении от границы помпажа, т.к. 25%>10%. 93 Определение основных характеристик ГТУ по параметрам газа в центробежном нагнетателе Эффективную мощность ГТУ можно определить по мощности, потребляемой нагнетателем, по формуле: Ni k к z ср R (T2н Т1н ) G н 4 z ср (Т 2н Т1н ) q н , k 1 к 1 k - показатель псевдоизоэнтропы; k 1 где zср - среднее значение коэффициента сжимаемости природного газа; Т1н, Т2н - температура газа на входе и выходе группы (нагнетателя), K; Gн - массовая производительность ЦБН, кг/с; qн - коммерческая производительность ЦБН, млн.м3/сут.; R - газовая постоянная, кДж . кг K Температура газа на входе и выходе группы (нагнетателя) вычисляется по формуле Т1н t1н 273,15; Т 2н t 2н 273,15 , где t1н, t2н - температура газа на входе и выходе ЦБН, ºС. Показатель псевдоизоэнтропы вычисляется по формуле k 4,16 0,0041 ( t ср 10) 3,93 ( в 0,55) 5,0 (m т 0,3) , k 1 где tср - среднее значение температуры, ºС; в - относительная плотность газа по воздуху; 94 mт - температурный показатель политропы, определяется по формуле T2н Т1н , mт P2н lg Р1н lg где Р1н, Р2н - абсолютное давление газа на входе и выходе группы ЦБН, МПа. Среднее значение температуры определяется по формуле t ср t н1 t н 2 . 2 Относительная плотность газа по воздуху определяется по формуле в 0 , 1,2044 где 0 - плотность природного газа при 20 ºС и 0,1013 МПа, кг/м3. Среднее значение коэффициента сжимаемости определяется по формуле z ср z1н z 2н , 2 где z1н, z2н - коэффициенты сжимаемости природного газа на входе и выходе ЦБН, вычисляются по формулам: z1н 1 [(10,2 P1н 6) (0,345 102 в 0,446 103 ) 0,015] 1,3 0,0144 (Т1н 283,2); z 2н 1 [(10,2 P2н 6) (0,345 102 в 0,446 103 ) 0,015] 1,3 0,0144 (Т 2н 283,2). Эффективная мощность ГТУ вычисляется по формуле Ne Ni Nмех , 95 где Nмех - механические потери в подшипниках нагнетателя, кВт, или по формуле Ne Ni , м где м - механический КПД ЦБН (при отсутствии значений принимается равным 0,985). Эффективный КПД определяется по формуле е Ne , G тг Q нр где Ne - эффективная мощность на муфте привода, кВт; Gтг - расход топливного газа, кг/с; Qнр - массовая теплота сгорания природного топлива, кДж/кг. Пример расчета: Задано: - тип ГПА – ГПА-10-01 с ЦБН 370-18-1; - давление газа на входе ЦБН – 5,82 МПа; - давление газа на выходе ЦБН – 7,33 МПа; - температура газа на входе ЦБН – 24,1 ºС; - температура газа на выходе ЦБН – 44,2 ºС; - плотность газа – 0,683 кг/м3; - коммерческий расход транспортируемого газа – 30,9 млн. м3/сут; 96 - расход топливного газа – 3800 м3/ч; - низшая теплота сгорания топливного газа – 8120 ккал/м3; - температура атмосферного воздуха – 19,0 ºС. Определение рабочих параметров: 1 Температура газа на входе и выходе ЦБН: Т1н t1н 273,15 24,1 273,15 297,25 K, Т 2н t 2н 273,15 44,2 273,15 317,35 K. 2 Температурный показатель политропы: T2н 317,35 lg Т1н 297,25 mт 0,284. P2н 7,33 lg lg Р1н 5,82 lg 3 Среднее значение температуры: t ср t н1 t н 2 24,1 44,2 34,15 C. 2 2 4 Относительная плотность газа по воздуху: в 0 0,683 0,5671. 1,2044 1,2044 5 Коэффициенты сжимаемости природного газа на входе и выходе ЦБН: z1н 1 [(10,2 P1н 6) (0,345 102 в 0,446 103 ) 0,015] 1,3 0,0144 (Т1н 283,2) 0,910; z 2н 1 [(10,2 P2н 6) (0,345 102 в 0,446 103 ) 0,015] 1,3 0,0144 (Т 2н 283,2) 0,906. 6 Среднее значение коэффициента сжимаемости: 97 z ср z1н z 2н 0,910 0,906 0,908. 2 2 7 Показатель псевдоизоэнтропы: k 4,16 0,0041 ( t ср 10) 3,93 ( в 0,55) 5,0 (m т 0,3) k 1 4,16 0,0041 (34,15 10) 3,93 (0,5671 0,55) 5,0 (0,284 0,3 4,244. 8 Внутренняя мощность ЦБН: k к z ср R (T2н Т1н ) G н 4 z ср (Т 2н Т1н ) q н k 1 к 1 4 4,244 0,908 (317,35 297,25) 30,9 9573,6 кВт . Ni 9 Эффективная мощность на муфте привода: Ne N i 9573,6 9719,4 кВт . м 0,985 10 Низшая теплота сгорания топливного газа: Qнр 4,19 Q'нр 4,19 8120 34022,8 кДж/м3. 11 Эффективный КПД газотурбинной установки: е Ne 9719,4 0,27 или 27,0%. G тг Qнр 3800 34022,8 3600 98 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ Компрессорная станция – комплекс сооружений и оборудования для повышения давления сжатия газа при его транспортировке. Технологическая схема КС с ГПА-10-01 и нагнетателями типа 370-18-1 Технологическое оборудование компрессорной станции с агрегатами ГПА-10-01 и неполнонапорными нагнетателями типа 370-18-1 представлено в табл. 13. Принципиальная технологическая схема КС приведена на рис. 68. КС состоит из одного цеха, подключенного к магистральному газопроводу, Ду=1400 мм, Рпр=7,5 МПа. Газ высокого давления из магистрального газопровода через входные шаровые краны №№7, 7а (Ду1000) узла подключения по всасывающим газопроводам-шлейфам поступает через входные коллекторы на батареи циклонных пылеуловителей (6 пылеуловителей производительностью 20 млн. нм3/сутки), где очищается от механических и жидких примесей. После очистки газ попадает во всасывающий коллектор (Ду1000) газоперекачивающих агрегатов, из которого направляется в последовательно – параллельно работающие нагнетатели 8 агрегатов ГПА-10-01 (из них 2 в резерве), где сжимается до проектного давления (7,5 МПа). Компримированный газ под давлением 7,5 МПа поступает в нагнетательный коллектор (Ду 1000) и далее по трубопроводам (Ду1000) направляется к батарее из 10 аппаратов воздушного охлаждения газа. Охлажденный газ по выходному шлейфу (Ду 1000) направляется к узлу подключения, попадая через краны №№ 8, 8а в магистральный газопровод. Перемычка между всасывающим и нагнетательным шлейфами с кранами №№ 36, 36р, 36а, 36ар образует пусковой контур цеха, который предназначен для работы агрегатов на кольцо перед нагрузкой и разгрузкой, а также для регулирования производительности перепуском газа со стороны нагнетания на прием цеха. 99 Сжатие газа осуществляется с помощью газотурбинных газоперекачивающих агрегатов ГПА-10-01, каждый из которых представляет собой единую блочную установку газотурбинного двигателя ДР-59Л 10 МВт и одноступенчатого нагнетателя 370-18-01 в одном укрытии. Импульсный газ отбирается до и после крана №20 через краны 1Т, 2Т, а также от всасывающего и нагнетательного шлейфа через краны 3Т, 4Т. После очистки импульсного газа в газосепараторе и осушки в адсорберах он подводится к крановым узлам. Для обеспечения нормальной работы систем смазки, регулирования и уплотнения ГПА в состав цеха входит система маслоснабжения, которая обеспечивает прием, хранение, учет расхода масла, подачу чистого масла в маслобаки ГПА, слив отработанного масла на склад, аварийный слив и перелив из маслобаков, очистку масла в регенераторной. Технологическая схема КС с ГПА-10-01 и нагнетателями типа 235-21-1 Технологическое оборудование компрессорной станции с агрегатами ГПА-10-01 и полнонапорными нагнетателями типа 235-21-1 приведено в табл. 14. Принципиальная технологическая схема КС приведена на рис. 69. КС состоит из одного цеха, подключенного к магистральному газопроводу, Ду=1400 мм, Рпр=7,5 МПа. Газ высокого давления из магистрального газопровода через входные шаровые краны №№7, 7а (Ду1000) узла подключения по всасывающим газопроводам-шлейфам поступает через входные коллекторы на батареи циклонных пылеуловителей (6 пылеуловителей производительностью 20 млн. нм3/сутки), где очищается от механических и жидких примесей. После очистки газ попадает во всасывающий коллектор (Ду1000) газоперекачивающих агрегатов, из которого направляется в параллельно работающие нагнетатели 8ми агрегатов ГПА-10-01 (из них 3 в резерве), где сжимается до проектного давления (7,5 МПа). Компримированный газ под давлением 7,5 МПа поступает в 100 нагнетательный коллектор (Ду1000) и далее по трубопроводам (Ду1000) направляется к батарее из 10 аппаратов воздушного охлаждения газа. Охлажденный газ по выходному шлейфу (Ду1000) направляется к узлу подключения, попадая через краны №№ 8, 8а в магистральный газопровод. Перемычка между всасывающим и нагнетательным шлейфами с кранами № 36, 36а, 36р, 36ар и 37 образует пусковой контур цеха, который предназначен для работы агрегатов на кольцо перед нагрузкой и разгрузкой, а также для регулирования производительности перепуском газа со стороны нагнетания на прием цеха. Сжатие газа осуществляется с помощью газотурбинных газоперекачивающих агрегатов ГПА-10-01, каждый из которых представляет собой единую блочную установку газотурбинного двигателя ДР-59Л 10 МВт и двухступенчатого нагнетателя 235-21-1 в одном укрытии. Импульсный газ отбирается до и после крана №20 через краны 1Т, 4Т, а также от всасывающего и нагнетательного шлейфа через краны 2Т, 3Т. После очистки импульсного газа в газосепараторе и осушки в адсорберах он подводится к крановым узлам. Для обеспечения нормальной работы систем смазки, регулирования и уплотнения ГПА в состав цеха входит система маслоснабжения, которая обеспечивает прием, хранение, учет расхода масла, подачу чистого масла в маслобаки ГПА, слив отработанного масла на склад, аварийный слив и перелив из маслобаков, очистку масла в регенераторной. 101 102 нагнетателями типа 370-18-1 Таблица 13 – Технологическое оборудование КС с агрегатами ГПА-10-01 и неполнонапорными 103 нагнетателями типа 370-18-1 Рисунок 68 – Технологическая схема КС с агрегатами ГПА-10-01 и неполнонапорными 104 типа 235-21-1 Таблица 14– Технологическое оборудование КС с агрегатами ГПА-10-01 и полнонапорными нагнетателями 105 нагнетателями типа 235-21-1 Рисунок 69 - Технологическая схема КС с агрегатами ГПА-10-1-01 и полнонапорными ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ Профилактические, регламентные и ремонтные работы производятся с целью поддержания ГПА в состоянии готовности к работе, увеличения долговечности ГПА при оптимальных рабочих параметрах, предупреждения появления возможных дефектов и неисправностей, могущих привести к вынужденным остановкам во время работы. От своевременного и качественного выполнения ППО и ППР зависит продолжительность и безопасность работы ГПА, готовность его к запуску. ППО и ППР способствуют также повышению культуры эксплуатации оборудования. При эксплуатации ГПА предусмотрены следующие виды ППО и ППР. Осмотры и работы через 500…750 часов работы: - производится осмотр крепежа опор двигателя, нагнетателя, рам маслонасосов и газоотвода к фундаменту блока; - осматриваются пластинчатые опоры ГТД на отсутствие трещин и механических повреждений; - проверяются пробки на трубах слива масла из опор двигателя на отсутствие металлической стружки и других механических примесей; - производится осмотр и промывка масляных фильтров ГТД, нагнетателя и системы автоматики. Осмотры и работы через 3000 часов работы: - производится промывка проточной части ГТД; - производится осмотр состояния крепежа и контровки разъемов ГТД; - осматриваются наружные поверхности ГТД и вспомогательных агрегатов на отсутствие коррозии и сохранность лакокрасочных покрытий; - производится осмотр и проверка проточной части ГТД с помощью оптических приспособлений; - производится замена датчиков и приборов, выработавших ресурс. 106 Осмотры и работы через 6000…6500 часов (1 раз в год): - осмотр и при необходимости замена сальников масляных насосов; - осмотр рессоры и эластичных муфт в соединениях «ГТД-нагнетатель», «ГТД-выносная коробка приводов» на отсутствие трещин и повреждений; - проверяется состояние крепежа муфт и рессор; - проверяется центровка агрегата в соединениях: «ГТД-нагнетатель», «ГТД-коробка» приводов; - заменяются датчики и приборы, выработавшие ресурс; - проверяется крепление рам ГТД, нагнетателя, газоотвода, блока агрегатов и электромаслонасосов к фундаментам. Проведение капитальных ремонтов ГПА производится через 25000 часов работы. В настоящее время также применяется стратегия проведения капитальных ремонтов по «фактическому техническому состоянию» по результатам параметрической и вибродиагностики. Капитальные ремонты ГТД производятся в заводских условиях. Общий установленный заводом-изготовителем ресурс ГПА составляет 100000 часов работы. 107 Для заметок ЛИТЕРАТУРА 1 Каталог энергетического оборудования. Том 1. – Рыбинск: ООО «Издательский дом Газотурбинные технологии», 2011. – 362 с. 2 Газоперекачивающий агрегат ГПА‑10. Инструкция по эксплуа-тации 029108000 ИЭ. – Кривой Рог: СНПО им. М. В. Фрунзе, 1982. – 168 с. Двигатель ДР59Л. Формуляр. Р59108100 ФО. Кривой Рог.: Криворожский турбинный завод 3 «Восход». – 169 с. 4 Газоперекачивающий агрегат ГПА‑12Р(16Р)«Урал». Руководство по эксплуатации. НПО «Искра», 2000. – 421 с. 5 Двигатель АЛ‑31СТ. Руководство по эксплуатации. 60. РЭ 1 ред. Книга 1. Уфа: ОАО «УМПО». – С. 22–30. 6 Каталог газодинамических характеристик ЦБК природного газа. – М.: ВНИИГаз, 2005. – 128 с. 7 Волков, М. М. Справочник работника газовой промышлен-ности/ М. М. Волков, А. Л. Михеев, К. А. Конев. – М.: Недра, 1989. – 286 с. Отпечатано в службе по информационному обеспечению Инженерно-технического центра ООО «Газпром трансгаз Уфа» © ООО «Газпром трансгаз Уфа» 2015
