Исследование состава продуктов сгорания в газотурбинной установке НК-16СТ

В настоящее время важнейшим и наиболее ответственным звеном в системе обеспечения природным газом внутренних и внешних потребителей служит трубопроводный транспорт. Газодобывающие и газоперерабатывающие компании работают над проектами, способствующими снижению воздействия промышленных установок на изменение климата благодаря улавливанию и утилизации диоксида углерода и использованию альтернативных источников энергии [1]. Однако изменение стратегии развития данных компаний в направлении внедрения технологий по сокращению вредных выбросов в газовой отрасли требует значительных инвестиций [2].

В целях дальнейшего развития системы газоснабжения, снижения энергетических затрат при транспортировке, повышения ее надежности и экологической безопасности применяется комплексная Программа модернизации и реконструкции компрессорных станций и линейной части газопроводов. Она предусматривает, в частности, строительство новых крупных газопроводных систем, оснащение их и уже действующих высокоэффективными газоперекачивающими агрегатами со стационарными авиационным и судовым приводами, имеющими КПД до 36 процентов, расширение использования сжиженного природного газа. В решении этих задач принимают участие академические, научно-исследовательские и учебные институты, конструкторские бюро, предприятия оборонного комплекса. 

Трубопроводная система – это сложный комплекс с различными условиями эксплуатации [3]. Увеличение подачи газа вызывает проблемы технологического и эксплуатационного характера. Так, компрессорная станция КС-26 «Торбеевская», входящая в состав ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород», обеспечивает работу магистрального газопровода «Уренгой-Центр 1» и предназначается для приема природного газа, очистки, компримирования, охлаждения и подачи в магистральный газопровод. 

Целью модернизации станции является:

• обеспечение производительности газопровода «Уренгой-Центр 1» до 105 млн. м3/сутки путем установки нового современного оборудования, обладающего более высоким КПД, высокой степенью автоматизации, малыми сроками монтажных и ремонтных работ;
• обеспечение более надежной и стабильной работы КЦ№2 КС-26 «Торбеевская» за счет увеличения межремонтных периодов основного и вспомогательного оборудования;
• повышение культуры производства и эффективности производственной системы [4]; 
• снижение эксплуатационных затрат и затрат на ремонтное обслуживание, а также сокращение логистических издержек [5].

В настоящее время на КЦ-2 КС «Торбеевская» установлено 5 газоперекачивающих агрегатов номинальной мощностью 16 МВт. Все оборудование компрессорного цеха компонуется на открытой площадке. Газовые турбины и нагнетатель представляют собой единую блочную установку [6]. Все ГПА оснащены газотурбинным приводом НК-16СТ и центробежными нагнетателями НЦ-16/76.

В качестве первой степени очистки на компрессорных станциях широко применяют циклонные пылеуловители, работающие на принципе использования инерционных сил для улавливания взвешенных частиц. Циклонные пылеуловители просты и надежны в обслуживании. Эффективность зависит от количества циклонов и качества их обслуживания в соответствии с режимом, на который они запроектированы. «Типовая технологическая обвязка компрессорного цеха предназначена для обеспечения приема технологического газа, его очистки от механических примесей и капельной жидкости в специальных пылеуловителях, распределения потоков газа по газоперекачивающим агрегатам с обеспечением их оптимальной загрузки, возможности охлаждения газа после его компримирования перед подачей в газопровод, а также транзитного прохода транспортируемого газа по магистральному газопроводу, минуя компрессорную станцию» [7]. 

В соответствии с техническими требованиями предлагается внедрить на базе аналога НЦ 16-76/1,44 спроектированный нагнетатель НЦ 16-76/1,65. В процессе работы был проведен термогазодинамический расчет проектируемой машины, в результате которого были получены характеристики нагнетателя НЦ16-76/1,65. Производительность проектируемого нагнетателя уменьшается и составляет 5,491 м/с, в результате чего полезный эффект от создания и внедрения изделия отрицательный. Но необходимо отметить, что основным преимуществом проектируемой машины является способность работать при более низком давлении всасывания природного газа, поступающего в нагнетатель из магистрального трубопровода, что в свою очередь ведет к сокращению количества нагнетателей необходимых для обслуживания процесса перекачки природного газа по трубопроводу, так как есть возможность расположить газаперекачивающие станции на большем удалении друг от друга.

Предложенный проект согласуется с разработкой нового способа промывки газовоздушного тракта жидкостью по газоперекачивающему агрегату НК-16СТ.

В состав газогенератора входят: компрессор высокого, низкого давления, камера сгорания, турбина высокого, низкого давления. Через силовую турбину осуществляется выброс в атмосферу продуктов сгорания. Компрессор всасывает воздух из атмосферы, затем через компрессор низкого и высокого давления в камеру сгорания подводится газ. В результате взаимодействия с кислородом происходит горение, газ раскручивает силовую турбину высокого и низкого давления, и через нее происходит выброс в атмосферу продуктов сгорания.

Раскрутка центробежного нагнетателя повышает давление газа за счёт центробежного нагнетателя Нц16-76. Компрессор подаёт воздух в камеру сгорания и туда же подводится газ, происходит горение. Эти процессы неизбежно вызывают распад углекислоты, в результате ухудшается атмосфера.

В работе предлагается применить новый подход.

Газовоздушный тракт промывается жидкостью по газоперекачивающему агрегату НК16СТ. В отличие от существующих способов переработки, в данной модели к работающему агрегату присоединяется установка, которая промывает его, устраняя нагар внутри и тем самым уменьшая выбросы вредных веществ (углекислого газа и оксида азота) в атмосферу. 

Промывка компрессора осуществляется с помощью специальной жидкости М-1 Ультра (промывка при положительной температуре) или М-2 Ультра / М-2P Ультра (при отрицательной температуре). Благодаря этому нагар больше не остаётся в компрессоре, и в процессе работы воздух, всасываемый компрессором, содержит меньше вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. 

Таким образом, при добыче и транспортировке природного газa в нем практически всегда содержатся различною рода примеси: песок, сварной шлам, конденсат тяжелых углеводородов, вода, масло и т.д. Механические примеси попадают в газопровод как в процессе его строительства, так и при эксплуатации. Наличие механических примесей и конденсата в газе приводит к преждевременному износу трубопровода, запорной арматуры, рабочих колес нагнетателей и, как следствие, снижению показателей надежности и экономичности работы компрессорных станций и газопровода в целом.

Все это приводит к необходимости установки на компрессорной станции различных систем очистки технологического газа. Присоединение к работающему агрегату промывочной установки, предложенной в работе, устраняет нагар внутри газогенератора, уменьшая выбросы вредных веществ (углекислого газа и оксида азота) в атмосферу.

Данный способ промывки с помощью жидкости отличается от действующих методов, когда промывка осуществляется с помощью твердых частиц. Очищение твердыми частицами предполагает вероятность засорения каналов, отверстий системы охлаждения и лопаток газовой турбины. Использование установки, разработанной в проекте, несет испарение жидкости после промывки из-за высоких температур как на холодной прокрутке, так и на режиме, поэтому новый способ, т.е. промывка жидкостью, лучше.

Внедрение данного проекта имеет не только практическую значимость, но и огромный экологический эффект. Сегодня устойчивое развитие как компаний, так и всего государства в целом неразрывно связано с вопросами экологической защиты окружающей среды, связанной с промышленной безопасностью.