image
energas.ru

Газовая промышленность № 5 2017

Использование газа в промышленном производстве

01.05.2017 11:00 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГТУ НК-16СТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
Ввиду наметившегося курса на рациональное использование попутного нефтяного газа (ПНГ) произведена адаптация газотурбинной установки (ГТУ) НК-16СТ к работе на данном виде топлива. В статье приводится схема двигателя НК-16СТ с генератором. Для анализа приняты условный состав и объем выхода данного топлива в сутки. Для данных условий осуществлен расчет мощности двигателя. Произведена оценка того, на сколько требуется увеличить открытие дозатора газа по сравнению с открытием дозатора во время работы двигателя на природном газе. При помощи сводной дроссельной характеристики разработана методика оценки возможных режимов работы ГТУ НК-16СТ при использовании в качестве топлива ПНГ. Также произведен расчет необходимого давления газа на входе в двигатель для обеспечения рассчитанной мощности.
Ключевые слова: ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, НЕФТЯНОЙ ГАЗ, МОЩНОСТЬ, ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА.
Открыть PDF


Многие нефтедобывающие компании, столкнувшись с проблемой утилизации ПНГ, стараются использовать его в качестве топлива в газоприводном оборудовании для выработки электро-
энергии. Схема установки, которая используется для этого, показана на рис. 1. Подобные установки входят в состав газотурбинных электростанций (рис. 2).

Приводные газотурбинные двигатели (ГТД), используемые в подобных установках, предназначены для работы на природном газе. При замене природного газа на ПНГ перед разработчиком ГТУ возникает ряд вопросов.

Во-первых, как изменится мощность на валу свободной турбины ГТУ при работе на номинальном режиме?

Во-вторых, индексы Воббе природного и попутного нефтяного газов различаются существенно:

1_1_5.png

где WIТ, WIПГ – индексы Воббе природного и попутного нефтяного газов, соответственно; H, HuПГ – низшие теплотворные способности природного и попутного газов, соответственно; rТ, rПГ – плотности природного и попутного газов в нормальных условиях, соответственно; rв – плотность воздуха в нормальных условиях.

При таких различиях индекса Воббе может потребоваться замена топливной аппаратуры. Поэтому необходимо определить, каково будет давление ПНГ в топливной системе и будет ли достаточным проходное сечение дозирующего устройства для обеспечения работы ГТУ на номинальном режиме.

В-третьих, необходимо определить, будет ли состав топливо-воздушной смеси в камере сгорания находиться в пределах устойчивого горения и есть ли необходимость в перераспределении подачи воздуха по длине камеры сгорания [1].

1_1.png

Расчет мощности на валу свободной турбины при работе двигателя на попутном газе ведется в следующей последовательности.

По известному расходу выделяющегося попутного газа GПГ и по теплотворным способностям H и HuПГ природного и попутного газов, соответственно, вычисляется эквивалентный расход природного газа GТ

1_1_2.png    (2)

Расход GТ эквивалентен расходу GПГ в том смысле, что при сгорании GТ килограмма природного газа и GПГ килограмма попутного газа выделится одинаковое количество тепла.

1_1_1.png

Далее по вычисленному расходу природного газа GТ и по дроссельной характеристике двигателя определяется мощность на валу свободной турбины.

Необходимое статическое давление попутного газа на входе в топливную систему P*ПГ может быть примерно вычислено как сумма:

P*ПГ = P*K + ∆P*Доз-К + ∆P*ПГ-Доз,             (3)

где P*K – давление газа в камере сгорания (т. е. в выходном сечении топливной форсунки); ∆P*Доз-К – разница давлений на участке от дозатора (от полости за дозирующей иглой) до камеры сгорания включительно (до выходного сечения топливной форсунки);  ∆P*ПГ-Доз– разница давлений газа перед дозатором (на входе в топливную систему) и за дозатором (в полости за дозирующей иглой).

Image_011.jpg

Поскольку рассчитывается необходимое минимальное давление попутного газа, его давление в камере сгорания P*K принимается равным давлению воздуха за компрессором, которое измеряется при снятии дроссельной характеристики двигателя.

Разница давлений на участке от дозатора до камеры сгорания представляет собой потери давления на этом участке, которые, в случае как природного газа, так и ПНГ, пропорциональны скорост­ному напору газа [2]:

1_1_3.png  (4)

где x – коэффициент гидравлического сопротивления; u – скорость течения газа; r – плотность газа.

Для произвольного сечения топливной системы с площадью F выражение для скоростного напора можно записать в следующем виде:

1_1_4.png  (5)

Плотность газа  в рассматриваемом сечении можно выразить соотношением:

                1_1_6.png  (6)

где р – давление в рассматриваемом сечении; rнорм – плотность газа при нормальных условиях; pнорм = 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) – давление при нормальных условиях.

С учетом (5) и (6) выражение (4) запишется в виде:

1_1_7.png, (7)

где 1_1_8.png. Значение величины A одинаково как для природного газа, так и для попутного нефтяного.

Используя выражение (7), можно выразить разницу давлений на участке от камеры сгорания до дозатора при использовании ПНГ через известную величину потерь давления при работе двигателя на природном газе:

1_1_9.png

где ∆P*Доз-КПГ – потери давления на участке от дозатора до камеры сгорания при использовании ПНГ;
P*Доз-КТ = P*Т Доз Вых – P*K – известная разница давлений на участке от дозатора до камеры сгорания включительно при использовании природного газа (давление природного газа в полости за дозирующей иглой P*Т Доз Вых и давление в камере сгорания P*K измеряются при испытаниях двигателя); PТ и PПГ – давления природного и попутного нефтяного газов, соответственно, в рассматриваемом сечении топливной системы; rТ норм и rПГ норм – плотности природного и попутного газов, соответственно, при нормальных условиях.

1_1_13.png

Рассмотрим сечение топливной системы на выходе из форсунки. Давления рТ и рПГ в рассматриваемом сечении при одинаковой мощности работы двигателя будут одинаковы, поэтому:

 1_1_10.png (9)

Отношение расходов ПНГ и природного газа в соответствии с выражением (2) будет обратно пропорционально отношению теплотворных способностей:

 1_1_11.png (10)

С учетом (9) и (10) выражение для разницы давлений попутного газа на участке от дозатора до камеры сгорания окончательно запишется в следующем виде:

1_1_12.png

Разница давлений газа перед дозатором и за дозатором ∆P*ПГ-Доз известна и определяется газодинамическими характеристиками двигателя.

Рассмотрим вышеприведенный расчет на примере ГТУ НК-16СТ номинальной мощностью 16 МВт со свободной турбиной на 5300 об/мин. Для привода электрогенератора применен редуктор, понижающий частоту вращения ротора до 3000 об/мин.
В расчете используются параметры двигателя НК-16СТ без учета влияния генератора электрического тока и котла – утилизатора тепла выхлопных газов.

Задаются условия, при которых объем ПНГ достигает 80 тыс. м3/сут. При этом от сепаратора высокого давления (давление газа в среднем 2,5 атм, или 0,253 МПа) поступает 80 % от общего объема газа, а от сепаратора низкого давления (давление газа почти равно атмосферному) – 20 %. Состав и основные свойства условного топливного газа приведены в таблице.

В нижеприведенных расчетах величинам, относящимся к газу высокого давления, присвоен индекс I, и величинам, относящимся к газу низкого давления, – индекс II.

Прежде всего необходимо определить плотность попутного газа rпг. Плотности газов высокого и низкого давления при температуре 20 °C (293 K) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) определяются через относительную плотность по воздуху:

rI = rвозд rI = 1,430 кг/м3,

rII = rвозд rII = 2,000 кг/м3,

где rI = 1,187, rII = 1,661 – относительные плотности газов высокого и низкого давления по воздуху по данным таблицы; rвозд = 1,2041 кг/м3 – плотность воздуха при температуре 20 °C (293 K) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Средняя плотность ПНГ:

1_1_14.png  (12)

Поверочный расчет плотности проведен с использованием данных химического состава газа из таблицы по формуле:

1_1_15.png   (13)

где Mi – молярная масса i-го компонента газа, кг/моль; wI – объемная доля i-го компонента газа, %; 0,0224 м3/моль – объем одного моля газа при температуре 0 °С (273 K) и давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Image_038.jpg

Результаты поверочного расчета плотности незначительно отличаются от результатов основного расчета и составляют:

rI = 1,412 кг/м3,

rII = 1,951 кг/м3.

Исходя из данных о плотности газов высокого и низкого давления определяются их низшие теплотворные способности:

HuI = HuIоб/rI = 27 249 кДж/кг,

HuII = HuIIоб/rII = 45 650 кДж/кг,

где HuIоб, HuIIоб – низшие теплотворные способности 1 м3 соответствующих газов при 20 °С.

Низшая теплотворная способность попутного газа:

1_1_16.png    (14)

Объемный расход попутного газа:

1_1_17.png              (15)

где V = 80 тыс. м3 – объем газа,
t = 24 ч – время, за которое выделяется данный объем газа.

Массовый расход попутного газа:

  GПГ = QПГ rПГ = 5146,6 кг/ч.       (16)

Согласно выражению (2) эквивалентный расход природного газа составит:

1_1_18.png

где H = 49840 кДж/кг – низшая теплотворная способность природного газа.

По сводным дроссельным характеристикам двигателя НК-16СТ (рис. 3) и вычисленному расходу природного газа определяется мощность, реализуемая на валу свободной турбины в условиях ГТЭ при атмо­сферном давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) и температуре 15 °С (288 К) [3]. Реализуемая мощность составляет Nпр = 12,3 МВт при частоте вращения ротора НД nНДпр = 4960 об/мин.

На рис. 4 представлены результаты измерения давления воздуха за компрессором PК* и давления природного газа в полости за дозирующей иглой PТ*Доз Вых. Исходя из этого определяется давление воздуха за компрессором PК* = 7,6 кгс/см2 (0,746 МПа), соответствующее частоте вращения ротора НД nНДпр = 4960 об/мин.

1_1_19.png

Давление природного газа в полости за дозирующей иглой на режиме nНДпр = 4960 об/мин,  PТ*Доз Вых = 10,6 кгс/см2 (1,04 МПа). Таким образом, разница давлений природного газа на участке от дозатора до камеры сгорания составит:

P*Доз-КТ = PТ*Доз Вых – PК* = 3,0 кгс/см2 = 0,294 МПа.

С использованием выражения (8) определяется разница давлений попутного газа на участке от дозатора до камеры сгорания:

1_1_21.png,

где rТ норм = 0,68 кг/м3.

Разница давлений газа перед дозатором и за дозатором на данном режиме составляет

P*ПГ-Доз = 2,0 кгс/см2 = 0,196 МПа.

Согласно выражению (2) давление попутного газа на входе в топливную систему на данном режиме работы двигателя составит:

1_1_22.png

Таким образом, на двигателе НК-16СТ при использовании в качестве топлива ПНГ с расходом 3333,3 м3/ч можно обеспечить мощность Nпр = 12,3 МВт. При этом необходимо увеличить давление газа на входе в двигатель до 13 кгс/см2 (1,28 МПа).

Уровень открытия дозатора газа при работе двигателя на постоянном режиме с ПНГ можно определить при помощи зависимости:

1_1_23.png

где FДУС Т – площадь дозирующего отверстия при работе двигателя на природном газе; FДУС ПГ – площадь дозирующего отверстия при работе двигателя на ПНГ. То есть при использовании попутного газа заданного состава с заданным расходом доработка топливной системы не потребуется.

В настоящее время более чем на 30 электростанциях Управления внутрипромыслового сбора и использования нефтяного газа ОАО «Сургутнефтегаз» двигатели НК-16СТ используются в качестве приводов энергоустановок, работающих на ПНГ [4, 5].

Следует отметить, что применение данного вида топлива не ухудшило эксплуатационных характеристик двигателя и не повлияло на надежность запуска. Замечаний по состоянию камеры сгорания по результатам осмотра при проведении регламентных работ нет, что, в свою очередь, достигнуто за счет проведения мероприятий по защите элементов жаровой трубы нанесением специального покрытия, которое позволяет минимизировать коррозионное воздействие примесей, имеющихся в ПНГ, на металл.

 

Выводы

1. Разработана методика расчета возможных режимов работы ГТУ при использовании в качестве топлива ПНГ.

2. Использование в качестве топлива ПНГ рассмотренного состава (табл.) с расходом 80 тыс. м3/сут и давлением 0–2,5 атм (0,253 МПа) позволяет осуществить работу двигателя НК-16СТ на режимах, соответствующих мощности 12,3 МВт, при условии увеличения давления газа на входе в двигатель до не менее 13 кгс/см2 (1,28 МПа).

3. Изменения топливной аппаратуры не требуется. 


Компонентный состав и свойства газа

Параметр

Газ высокого давления

Газ низкого давления

Давление при отборе, МПа (изб.)

0,203

0,003

Процентное содержание от общего объема, Y, %

80

20

Относительная плотность по воздуху, r

1,187

1,661

Низшая теплота сгорания при 20 °С, Huоб, кДж/м3

38 965,42

91 299,69

Газ

Молярная масса Мi, кг/моль

Объемная доля, wi, %

Углекислый газ СО2

0,044

1,37

0,84

Азот N2

0,028

48,72

0,68

Метан СН4

0,016

7,68

0,55

Этан С2Н6

0,030

15,73

21,37

Пропан С3Н8

0,044

15,74

41,63

Изобутан С4Н10

0,058

2,75

10,33

Н-бутан С4Н10

0,058

4,86

16,83

Изопентан С5Н12

0,072

1,23

4,17

Н-пентан С5Н12

0,072

0,90

2,39

Гексан + высшие С6Н14

0,086

1,02

1,21



← Назад к списку