Спосіб визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що працює в складі групи на газокомпресорній станції

Спосіб визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що працює в складі групи на газокомпресорній станції, що передбачає використання паспортної зовнішньої характеристики показників роботи газотурбінного двигуна, який відрізняється тим, що в експлуатаційному режимі, використовуючи штатний загальностанційний витратомір, вимірюють сумарну для всіх працюючих газотурбінних двигунів витрату паливного газу, вимірюють і розраховують на кожному працюючому газотурбінному двигуні приведену частоту обертів турбіни високого тиску, вимірюють частоту обертів силової турбіни, за приведеною частотою обертів турбіни високого тиску та обертами силової турбіни з зовнішньої характеристики газотурбінного двигуна визначають вихідне значення потужності кожного газотурбінного двигуна, вимірюють температуру повітря на вході газотурбінного двигуна, температуру робочих газів на вході і на виході силової турбіни, за відомим складом паливного газу визначають його теплотворну здатність і кількість повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу, визначають коефіцієнт надлишку повітря в газах силової турбіни і ентальпії газів на її вході і виході, визначають ефективний ККД газотурбінного двигуна, а за його значенням визначають витрату паливного газу на кожному газотурбінному двигуні за формулою: Корисна модель належить до методів випробувань та діагностування машин і може бути використана в газотранспортній галузі для визначення витрати паливного газу в газотурбінних двигунах (ГТД), що працюють групою на газокомпресорній станції і використовуються як приводи газоперекачувальних агрегатів. Відомий спосіб визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що Gnг і = ( å (N n i =1 Gnг і де: ), /h ) кс Gпг N exap / he xap e i e i - масова витрата паливного газу в кожному (і-му ) газотурбінному двигуні, кг/с; N exap вихідне значення потужності газотурбінного двигуна, що отримане з його зовнішньої характеристики, кВт; (13) ) / h e i - потужність витрати тепла в кожному газотурбінному двигуні для навантаження, що дорівнює потужності з його зовнішньої характеристики, і для його фактичного технічного стану, що відповідає визначеному ефективному ККД газотурбінного двигуна, кВт; xap e 29186 (N (11) - сумарна масова витрата паливного газу газотурбінними двигунами, що працюють групою на компресорній станції, кг/с; U кс G пг (19) n - кількість газотурбінних двигунів, що працюють групою на компресорній станції. UA he - ефективний ККД газотурбінного двигуна; 3 29186 працює в складі групи на газокомпресорній станції, який передбачає використання витратомірного пристрою на кожному газотурбінному двигуні [Ме тодика расчета количества газа, измеряемого диафрагменными расходомерами. - М.: Недра, 1978, - С. 4-6]. Недоліком відомого способу є складність його реалізації, оскільки встановлення і обслуговування витратомірних пристроїв на кожному ГТД є надто складною і трудомісткою операцією, яка вимагає зупинки обладнання. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є спосіб визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що працює в складі групи на газокомпресорній станції, який передбачає визначення показників роботи ГТД за їх паспортними зовнішніми характеристиками. [Руководство по технической эксплуатации двигателя Д-336-2Т, ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко, 2000, с.10, Дроссельная характеристика двигателя Gmг=f( p кΣ)]. Зазначена характеристика дозволяє визначати витрату паливного газу в залежності від сумарного ступеня підвищення тиску повітря у компресорах турбін. Недоліком відомого способу є його низька точність, оскільки він не враховує фактичний технічний стан проточної частини кожного конкретного ГТД, що не дозволяє використовувати цей спосіб під час діагностичних випробувань в експлуатаційних умовах. Задачею корисної моделі є спрощення процесу визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що працює в складі групи на газокомпресорній станції, та підвищення точності її визначення. Для вирішення поставленої задачі у відомому способі визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні, що працює в складі групи на газокомпресорній станції, який передбачає використання паспортної зовнішньої характеристики показників роботи газотурбінного двигуна, згідно з заявленим технічним рішенням, в експлуатаційному режимі використовуючи штатний загально станційний витратомір, вимірюють сумарну для всіх працюючихгазотурбінних двигунів витрату паливного газу, вимірюють і розраховують на кожному працюючому газотурбінному двигуні приведену частоту обертів турбіни високого тиску, вимірюють частоту обертів силової турбіни, за приведеною частотою обертів турбіни високого тиску та обертами силової турбіни з паспортної зовнішньої характеристики газотурбінного двигуна визначають вихідне значення потужності кожного газотурбінного двигуна, вимірюють температуру повітря на вході газотурбінного двигуна, температуру робочих газів на вході і на виході силової турбіни, за відомим складом паливного газу визначають його теплотворну здатність і кількість повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу, визначають коефіцієнт надлишку повітря в газах силової турбіни і ентальпії газів на її вході і виході, визначають ефективний ККД газотурбінного 4 двигуна, та за його значенням визначають витрату паливного газу на кожному газотурбінному двигуні за формулою: Gnг і = ( å (N ) /h ) Gкс Nxap / he nг e n xap e i e i i=1 , де: Gnг і - масова витрата паливного газу в кожному (і-му ) газотурбінному двигуні, кг/с; G кс - сумарна масова витрата паливного газу nг газотурбінними двигунами, що працюють групою на компресорній станції, кг/с; (N xap e ) / he i - потужність витрати тепла в кожному газотурбінному двигуні для навантаження, що дорівнює потужності з його зовнішньої характеристики, і для його фактичного технічного стану, що відповідає визначеному ефективному ККД газотурбінного двигуна, кВт; Nxap e ви хідне значення потужності газотурбінного двигуна, що отримане з його зовнішньої характеристики, кВт; ηe - ефективний ККД газотурбінного двигуна; n - кількість газотурбінних двигунів, що працюють групою на компресорній станції. Технічним результатом заявленої корисної моделі є спрощення процесу визначення витрати паливного газу на кожному ГТД, що працює в складі групи на газокомпресорній станції. Спосіб не потребує трудомістких операцій і може бути використаний під час одночасного діагностування декількох ГТД без застосування витратомірних пристроїв для паливного газу на кожному ГТД окремо, а використовуючи лише загальностанційний такий пристрій. Підвищення точності способу у порівнянні з найближчим аналогом пов'язане з застосуванням уточненого значення коефіцієнта надлишку повітря в розрахунках ККД, який використовується для врахування технічного стану кожного ГТД при проведенні розрахунків. Крім цього, спосіб дозволяє спростити і уточнити визначення інших діагностичних показників, які залежать від витрати паливного газу, наприклад, визначення фактичної і наявної потужності ГТД, витрати робочих газів у ньому, тощо. На Фіг.1 показана принципова схема циклу і параметрів, що вимірюються в експлуатаційних умовах під час визначення витрати паливного газу в ГТД. Позиціями позначені: 1 - вхідний пристрій; 2 - компресор низького тиску; 3 - компресор високого тиску; 4 - камера згоряння; 5 - турбіна високого тиску; 6 - турбіна низького тиску; 7 - силова турбіна; 8 - вихлопна шахта; 9 - компресор природного газу, 10 - загально-станційний вимірювальний пристрій витрати паливного газу, 11 - загально-станційний колектор паливного газу. Параметри, що вимірюються: t1 - температура повітря на вході в ГТД; t4 - температура газів на вході в силову турбіну; t5 - температура газів на виході силової турбіни. На Фіг.2 наведений графік, що відображає 5 29186 зовнішню характеристику двигуна Д336-2Т. Розглянемо принцип роботи ГТД (див. Фіг.1). Повітря з вхідного пристрою 1 подають у компресори 2, 3, де воно стискається і далі подається в камеру згоряння 4, в якій воно нагрівається, змішуючись з продуктами згоряння паливного газу. Паливний газ подають в камеру згоряння 4 із загального колектора 11, на якому встановлений загально станційний вимірювальний пристрій 10, що вимірює сумарну витрату паливного газу для групи працюючих ГТД на компресорній станції. Нагріта суміш повітря з продуктами згоряння, розширюючись, приводить до обертання турбіну високого тиску 5 та турбіну низького тиску 6, які механічно сполучені з компресорами 2, 3. Корисна потужність ГТД створюється у силовій турбіні 7, яка обертає компресор 9. Вихлопні гази відходять через шахту 8. Компресор 9 в кожного ГТД виконує основну функцію компресорної станції - перекачування природного газу у магістральних газопроводах. Запропонований спосіб полягає у тому, що в експлуатаційному режимі, використовуючи штатний загально станційний витратомір 10, вимірюють сумарну для групи працюючих на компресорній станції газоперекачувальних кс агрегатів масову витрату паливного газу за 1с G nг (кг/с), електронним тахометром вимірюють на кожному працюючому ГТД частоту обертів nmвm та ncm (об/хв) турбіни високого тиску 5 і силової турбіни 7, розраховують приведене значення частоти nmвm nр турбіни високого тиску 5 і за отриманим значенням nmвm і ncm з зовнішньої характеристики ГТД знаходять вихідне значення ( ) Nxap = f nmв в np , n cm e потужності , (кВт) для кожного працюючого ГТД. Термопарами вимірюють температури: повітря t1 (°С) - на вході газотурбінного двигуна, робочих газів t4 (°С) - на вході силової турбіни 7 і робочих газів t5 (°С) - на її виході. За відомим з сертифікату складом паливного газу визначають його теплотворну здатність Н nг (кДж/кг) і кількість повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу L0 (кг/кг). За виміряною температурою t1 з теплофізичних характеристик визначають ентальпію повітря на вході ГТД i1=f(t1) (кДж/кг), з теплофізичних характеристик визначають ентальпію повітря і4(n)=f(t4) (кДж/кг) для температури, що дорівнює температурі робочих газів t4 на вході силової турбіни 7, за отриманими значеннями ентальпій повітря і 1 та і4(n), теплотворної здатності паливного газу Н nг, кількістю повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу L0 та відомим з характеристик ГТД коефіцієнтом повноти згоряння ηкз паливного газу визначають розрахункове значення коефіцієнта надлишку повітря αрозр в газах силової турбіни 7, використовуючи залежність: a розр= Hnг hкз - і 4(n ) (i4 (n) - i1 )L0 (1) 6 де: Нnг - відома за складом теплотворна здатність паливного газу; ηкз - відоме з характеристик ГТД значення коефіцієнта повноти згоряння паливного газу; і4(n) - ентальпія повітря для температури, що дорівнює температурі робочих газів t4 на вході в силову турбіну; і1 - ентальпія повітря на вході в ГТД; L0 - кількість повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу. За отриманим значенням αрозр та відомою температурою робочих газів t4 на вході силової турбіни 7 визначають з теплофізичних характеристик фактичну ентальпію робочих газів i4=f(α, t4) (кДж/кг) на вході силової турбіни 7. За отриманою ентальпією i4 уточнюють значення коефіцієнта надлишку повітря в газах α, коли замість ентальпії повітря і 4(n), використовують і 4, тобто: H h -³ a = nã êç 4 (i4 - i1)L0 За отриманим фактичним значенням коефіцієнта надлишку повітря α і виміряною температурою t5 на виході силової турбіни 7 з теплофізичних характеристик визначають ентальпію робочих газів i5=f(α, t 5) (кДж/кг) на виході силової турбіни 7. Розраховують ефективний ККД η e для кожного працюючого ГТД за формулою: he = (i 4 - i5 )(aL0 + 1)h cm мех Hnг h cm мех де - відоме з характеристик ГТД значення коефіцієнта механічних втрат енергії у силовій турбіні. За виміряним значенням сумарної для всіх працюючих ГТД витрати паливного газу, отриманими з зовнішніх характеристик ГТД вихідними значеннями потужностей, та розрахованими ефективними ККД ГТД визначають витрату паливного газу за 1с на кожному працюючому ГТД за формулою: G nг і = ( å (N Gкс Nxap / he nг e n xap e / he ) ) i i i=1 де: Gnг і - масова витрата паливного газу в кожному (і-му ) ГТД, кг/с; G кс - сумарна масова витрата паливного газу nг ГТД, які працюють групою на компресорній станції, кг/с; (N xap e / he ) i - потужність витрати тепла в кожному працюючому ГТД для навантаження, що дорівнює потужності з його зовнішньої характеристики, і для його фактичного технічного стану, що відповідає визначеному ефективному ККД ГТД, кВт; Nxap - вихідне значення потужності ГТД, що e 7 29186 отримане з його паспортної зовнішньої характеристики, кВт; ηe - ефективний ККД ГТД ; n - кількість ГТД, що працюють групою на компресорній станції. Приклад реалізації способу. У прикладі наведені результати випробувань і розрахунків витрати паливного газу на газоперекачувальних агрегатах з ГТД моделі Д336-2Т на ДКС Хрестище, які працюють групою у кількості 6 агрегатів. Зовнішні умови випробувань: атм. тиск Ва=740мм. рт. ст., температура зовнішнього повітря tз..п.=35,2-36,3°С. У процесі випробувань агрегатів була виміряна сумарна витрата паливного газу за 1с для усіх працюючих кс агрегатів G nг =2,2266кг/с і визначена з сертифікату за відомим його складом теплотворна здатність Нnг=48052кДж/кг та кількість повітря, необхідного для згоряння одиниці маси паливного газу L0=17,1кг/кг. Згідно з запропонованим способом в експлуатаційному режимі були виміряні температури за штатними термопарами на кожному працюючому агрегаті: - температура повітря на вході в ГТД - t 1°С; - температура газів на вході силової турбіни t4°С; - температура газів на виході силової турбіни t5°С. Використовуючи електронні тахометри на кожному працюючому ГТД були виміряні частоти обертів турбіни високого тиску і силової турбіни, об./хв., і розраховані приведені значення nтвт, пр. 288 t 1 + 273 З паспортної зовнішньої характеристики ГТД (див. Фіг.2), наведеній у технічній документації [Руководство по те хнической эксплуатации двигателя Д-336-2Т ЗМКБ "Прогресе" им. А.Г. Ивченко, 2000] були знайдені вихідні значення потужностей для кожного працюючого ГТД, як n тв т. пр. = n тв т функція Ne = f (n mв в , ncm ) , кВт. За теплофізичними характеристиками повітря була визначена його ентальпія і 1 і і4(n). За наведеними вище залежностями були отримані розрахункові значення коефіцієнтів надлишку повітря в газах αрозр та фактичні ентальпії i4 для кожного працюючого ГТД. За уточненими значеннями α та виміряними значеннями температури t5 з теплофізичних характеристик була визначені ентальпії цих газів i5=f(t5, α) на виході силової турбіни для кожного працюючого ГТД. Були розраховані ефективні ККД ГТД, а потім за формулою (4) була розрахована витрата паливного газу Gnг і, для кожного ГТД. Результати випробувань та розрахунків параметрів і показників, проведених згідно з запропонованою корисною моделлю для визначення витрати паливного газу на кожному газотурбінному двигуні наведені у таблиці. xap 8 Результати випробувань і розрахун витрати паливного газу та інших необхідних для цього парам Параметри t1, °С t4, °С t5,°C nmвm, об/хв. nmвm nр , об/хв. nсm, об/хв. і1, кДж/кг І4(n), кДж/кг αрозр α і4, кДж/кг i5, кДж/кг ηе Nxap , кВт e 1 35,4 645 491,7 13300 12870 6380 35,51 680,28 4,253 4,145 696,84 521,81 0,2592 2 35,3 681,5 522,1 13288 12840 6600 35,41 721,2 3,995 3,888 739,83 556,84 0,254 4290 4240 № агрегатів 3 35,4 3 667 6 491,3 4 13500 13 13002 12 6650 6 35,51 36 704,8 70 4,095 4 3,986 3 722,92 72 522,52 52 0,2855 0 4720 G кс , кг/с nг Gnг і, кг/с 4 2,2266 0,3806 0,3747 0,3802 0,3 9 29186 10