Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

THE METHOD OF DETERMINING THE NOMINAL PARAMETERS OF GAS TURBINE DRIVE GTE-6,3/MS POWER PLANT OF OWN NEEDS TYAMKINSKOE FIELD

Chekardovskiy M.N. 1 Ilyukhin K.N. 2 Kulikov A.M. 1 Vaschilin V.V. 3
1 Tyumen State Oil and Gas University Tyume
2 Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering
3 "Gazprom Transgaz Surgut»
The article contains methodical material which allows to solve one of actual problems of operation of systems of preparation and transportation of hydrocarbons. The problem lies in identification of technical condition and quality repair of power equipment of the employee not only to ensure technological needs, but also to realize the targets of energy saving program in terms of utilization of associated petroleum gas. In the article the methods of calculating the nominal parameters of gas-turbine engines (GTE) GTE-6,3/MS, installed at the power plant "Motor Sich EG 6000T-T10500-3VN M1UHL1", fuel is associated gas Tyamkinskoe field of the Uvat district, Tyumen region. The power plant is used for own needs of the system of preparation and transport of hydrocarbons. On the basis of a limited number of nominal parameters of GTE factory, the authors developed a method of calculating nominal parameters across a flowing part of the engine.
nominal parameters; gas turbine engine; effective power; effective efficiency; method of iteration.
Анализ номинальных параметров проектируемых газотурбинных двигателей (ГТД) показывает, что заводы-изготовители предоставляют заказчику ограниченное количество номинальных параметров ГТД. В связи с этим несомненна актуальность результатов расчета номинальных параметров по всей проточной части двигателя. При проведении приёмочных испытаний ГТД у заказчика появляется возможность проверить соответствие фактических номинальных параметров проектным параметрам и  достоверно оценить техническое состояние ГТД. В свою очередь это позволит обеспечить надёжную работу систем подготовки и транспорта углеводородного сырья.

В статье представлены методика, алгоритм и результаты расчета номинальных параметров всей проточной части газотурбинного двигателя (ГТД) ГТЭ-6,3/МС, входящего в состав теплоэлектростанции (ТЭС) «Мотор Сич ЭГ 6000Т-Т10500-3ВН М1УХЛ1» изготовителя АО «Мотор Сич» г. Запорожье, Украина.

Исследование

Для обеспечения производственных процессов подготовки и транспорта углеводородного сырья на промплощадкеТямкинского месторождения предназначена теплоэлектростанция оснащенная газотурбинным двигателем, электрогенератором и  котлом-утилизатором тепла продуктов сгорания, уходящих из силовой турбин.

Общий вид газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС  представлен на рисунке 1.  

 

Подпись:
Рис. 1. Общий вид ГТЭ-6,3/МС

ГТД – трехвальный, предназначен для привода синхронного генератора электростанции, что обеспечивается передачей крутящего момента от ведущего вала свободной турбины через редуктор и валопровод с фрикционной и мембранной муфтами на вал генератора [5].

На рисунке 2 представлена принципиальная схема ГТД с номинальными термогазодинамическими параметрами.

Подпись:
               

Рис. 2. Конструкционная схема ГТЭ-6,3/МС и схема измерения термогазодинамических параметров

компрессор низкого давления (КНД); компрессор высокого давления (КВД);

камера сгорания (КС); турбина высокого давления (ТВД); турбина низкого давления (ТНД); турбина силовая (ТС)

 

В таблице1 представленоограниченное количество номинальных параметров ГТД.

Таблица 1

Номинальные параметры ГТЭ-6,3/МС

Наименование

Размерность

Обозначение

Значение

Примечания

1

Эффективная мощность ГТД

кВт

Ne

6300

 

2

Степень сжатия воздуха в ОК

-

εок

15,9

eОК=Рс/Ра

3

Расход условного топлива на номинальном режиме в нормальных условиях

кг/с

Ву.т

0,4194

Низшая теплотворная способность условного топлива, =50056 кДж/кг

3

Расход продуктов сгорания после ТС

кг/с

Мпс

32,1652

 

4

Температура продуктов сгорания на выхлопе

К

ТS

704

 

5

Потери давления на выходе турбины силовой

кПа

ΔРs

1,52

 

9

Эффективный КПД ГТД

-

0,31

 

10

Номинальная температура воздуха перед КНД

К

Та

288

 

11

Номинальное давление воздуха перед КНД

кПа

Ра

101,33

 

12

Давление воздуха после КВД

кПа

РС

1611,15

РС=Ра×eОК

 

Для расчёта дополнительных параметров разработана методика и составлены уравнения по данным литературы [1, 2, 3, 4].

Расход воздуха:

 

 =  .                                                (1)

 

Номинальный расход реального топлива:        

 

,                                                                       (2)

где = 50056 кДж/кг  (таблица 1) - теплотворная способность условного топлива; = 46117 кДж/кг - теплотворная способность реального топлива (попутный газ) Тямкинского месторождения Уватского района Тюменской области; Ву.т= 0,4194 кг/с - расход условного топлива на номинальном режиме в нормальных условиях при Та=288К, Ра=101,33 кПа (таблица 1). Тогда:                        

 

Теоретически необходимое количество воздуха на 1 кг топлива:

== 15,902 кг/кг  .                (3)

Коэффициент избытка воздуха:

== 4,38           .                          (4)

Температура продуктов сгорания на входе турбины силовой (ТС):

,              (5)

где Ne = 6300 кВт, Мпс = 32,1652 кг/с, Тs =704К (таблица 1).

В формуле (5) неизвестно среднее значение удельной теплоёмкости продуктов сгорания в интервале температур Тs (таблица 1) и Тs'.

Среднее значение удельной теплоёмкости продуктов сгорания:

СРпс=А+ t×9,355×10-5+t2×3,7×10-7-t3×2,77×10-10,           (6)

где А=1,031 при значении коэффициента избытка воздуха a≤5;

t = (Тs' +Тs)/2 –273, °С- среднее значение температурыпродуктов сгорания в турбине силовой.

Уравнение для СР получено при аппроксимации графических зависимостей СРm=f(T,a) [3].

Методом итерации (в диапазоне температур 800К-1000К) подбираем такое значение Тs' , чтобы принятое значение и расчетное имело расхождение до 1%. Принимаем Тs'=870К. Тогда, при t=(Тs' +Тs)/2-273=514°С:

СРпс=1,031+514×9,355×10-5+5142×3,7×10-7-5143×2,77×10-10=1,1391 кДж/кг·°С 

  Температура продуктов сгорания на входе ТС:

= = 876К.                         (7)

Расхождение принятого Тs' = 870К и расчетного значения Тs' = 876К:

                               δ = ((876 – 870)/876)×100 = 0,69% .               (8)

Для дальнейших расчетов Тs' = 876К.

Температура за компрессором высокого давления (КВД):

  ,                      (9)

где  nок = 1,5 - принятое значение коэффициента политропного процесса повышения давления воздуха в осевом компрессоре; Pc - абсолютное давление воздуха за КВД , где εок– степень повышения давления в осевом компрессоре (ОК), (таблица 1); Pа - номинальное давление на входе ОК, кПа (таблица 1).

Мощность ОК (КНД+КВД):

кВт,                  (10)

где-теплоёмкость воздуха при t=(Тс+Тa)/2-273=(724+288)/2273=233°С.

СРв=1,031+233×9,355×10-5+2332×3,7×10-7-2333×2,77×10-10=1,0694 кДж/кг·°С

Из баланса мощностей:

,                             (11)

где: NтвдиNтнд- мощности, соответственных турбин.

Тогда температура продуктов сгорания перед ТВД

K ,(12)

где, исходя из вышеуказанного метода  итерации принимаем Tz=1270K и определяем t = (Тz+T's)/2 –273 = (1270+876)/2 – 273=800°С. Тогда:

СPпс=1,031+800×9,355×10-5+8002×3,7×10-7-8003×2,77×10-10=1,2005 кДж/кг·°С.

        Для дальнейших расчетов Тz = 1265К.

Мощность турбины:

кВт,          (13)                                                                                                                                                                                                       

где  - теплоёмкость воздуха при t = (Тz+ Тs)/2 – 273 = (1264 + 704)/2 – 273=711°С:

СРв=1,031+711×9,355×10-5+7112×3,7×10-7-7113×2,77×10-10 = 1,1847кДж/кг·°С.

Проверка:

Neрассч. =N(ТВД+ТНД+СТ) - N(ТВД+ТНД) = 21377,53 – 15016 = 6362 кВт

где  =32,1652·1,2001(1265 - 876) = 15016 кВт;

где t = (Тz+T's)/2 –273 = (1265+876)/2 – 273=794,5°С. Тогда:

СPпс=1,03+794,5×9,355×10-5+794,52×3,7×10-7-794,53×2,77×10-10=1,2 кДж/кг·°С

         Расхождение номинальной эффективной мощности ГТД Ne= 6300 кВт и расчетной эффективной мощности ГТД Neрассч. = 6362 кВт:

         δN=  = % .                      (14)

КПД камеры сгорания определим по формуле:

= =0,973,          (15)

где, при значении t = (Тz+Tс)/2 –273 = (1265+724)/2 – 273=721,5°С:

СPсм=1,03721,5×9,355×10-5+721,52×3,7×10-7-721,53×2,77×10-10=1,1904 кДж/кг·°С.

Эффективный КПД агрегата:

= = 0,303.                      (16)

Проверка расчёта:

.% .               (16а)

Баланс мощностей:

  =  = 21369 кВт .          (17)

Проверку расчёта проводим по формуле:

 =  = 0,04%.           (18)

Давление продуктов сгорания после ТС:

                     Рs = Ра + ΔРs = 101,33 + 1,52 = 102,85 кПа .       (19)

Коэффициент политропного расширения продуктов сгорания:

= = 1,2759        ,                      (20)

где Рz=Рc×sкс=1611,15×0,96=1546,7 кПа, sкс = 0,96¸0,98 - коэффициент гидравлического сопротивления камеры сгорания [1, 2].

Давление продуктов сгорания перед ТС:

 = = 298,7 кПа.                   (21)

 Коэффициент политропного процесса повышения давления воздуха в осевом компрессоре:

=       = 1,498.(22)

Принимаем температуру за КНД равной Т`с=388К. Тогда

= = 248,35 кПа.                    (23)

Проверка принятого значения Т`с по данным КВД:

 == 246,75 кПа.         (24)

Из полученных значений выбираем среднее значение давления:

Р`сср=(Рс1+Рс2)/2 = (248,35+246,75)/2 = 247,55 кПа

= = 387,6К.         (25)

Для дальнейших расчетов Т'с =387,6К.

При значении коэффициента адиабатного процесса повышения давления воздуха (к = 1,4) в осевом компрессоре:

= = 371,73К    .          (26)

Мощности отдельных узлов (КНД, КВД, ТНД, ТВД):

КНД: индикаторная

= = 3293,4 кВт,

где при t = (Тс'+Тa)/2 –273 = (387,6+288)/2 – 273=64,8°С:

СРв=1,031+ 64,8×9,355×10-5+64,82×3,7×10-7-64,83×2,77×10-10=1,0386 кДж/кг·°С;

адиабатная    

= = 2655,1кВт,

где при t = (Тс.ад'+Тa)/2 –273 = (371,73+288)/2 – 273=56,86°С:

СРв=1,031+56,86×9,355×10-5+56,862×3,7×10-7-56,863×2,77×10-10=1,0375кДж/кг·°С.

КПД КНД:                   

0,8062 .                      (27)

КВД: индикаторная   

=  = 11528,1 кВт,

где при t = (Тс+Т'с)/2 –273 = (724+387,6)/2 – 273=282,8°С:

СРв=1,031+282,8×9,355×10-5+282,82×3,7×10-7-282,83×2,77×10-10=1,0807кДж/кг·°С.

При значении коэффициента адиабатного процесса повышения давления воздуха (к = 1,4) в осевом компрессоре:                       

,             (28)

адиабатная  

==8916,7 кВт,

где при t = (Тс.ад+Т'с.ад)/2 –273 = (634,8+373,73)/2 – 273=230,3°С:

СРв=1,031+230,3×9,355×10-5+230,32×3,67×10-7-230,33×2,77×10-10=1,069кДж/кг·°С;

индикаторный КПД КВД

.                             (29)

Проверку расчёта проводим по формулам 30 и 31:

=            11528,1+3293,4 = 14821,5 кВт        ,           (30)

=0,01%. (31)

Температура продуктов сгорания за ТВД:

==963,4К,   (32)

где, исходя из вышеуказанного метода  итерации принимаем T'z=964K и определяем

t = (Тz+T's)/2 –273 = (1265+964)/2 – 273=841,5°С.

Тогда:

СPпс=1,031+841,5×9,355×10-5+841,52×3,7×10-7-841,53×2,77×10-10=1,2063.

        Для дальнейших расчетов T'z=964K.

Давление продуктов сгорания за ТВД в политропном процессе:

=440,2 кПа,                    (33)

Давление продуктов сгорания в адиабатном процессе (кt=1,3):

за ТВД            = = 958,11К  ,    (34)

за ТНД          = 876К .                          (35)

Мощности турбин (ТНД и ТВД) рассчитываем по формулам:

ТНД:

индикаторная:

=3315,7кВт ,

где, при t = (Т'z+T's)/2 –273 = (964+876)/2 – 273=647°С :

СPпс=1,031+647×9,355×10-5+6472×3,7×10-7-6473×2,77×10-10=1,1714;

адиабатная:

==3089 кВт ,

где при t = (Т'z.ад+Т's.ад)/2 –273 = (958,11+876)/2 – 273=644°С:

СРв=1,031+644×9,355×10-5+6442×3,67×10-7-6443×2,77×10 10=1,1695кДж/кг·°С ;

индикаторный КПД ТНД:       

.               (36)

ТВД: индикаторная:                

 =кВт, (37)

где при t = (Тz –273) =1265- 273 = 992°С :

СPпс=1,031+992×9,355×10-5+9922×3,7×10-7-9923×2,77×10-10=1,2174;

индикаторный КПД ТВД:

 .                (38)

Индикаторная мощность турбин (ТВД+ТНД):

=  кВт .                 (39)

Эффективная мощность ТС:

=кВт .   (40)

Проверка расчёта:

.%.               (41)

Эффективный КПД агрегата:

= = 0,299  .                      (42)   

Проверка расчёта:

.%.     

Для проверки достоверности разработанной методики определения термодинамических параметров проточной части газотурбинного привода ГТЭ-6,3/МС составлена таблица 2.

В таблице 2 приведены заводские и расчетные значения мощности и КПД узлов газотурбинного привода ГТЭ-6,3/МС: компрессора низкого давления (КНД); компрессора высокого давления (КВД); камеры сгорания (КС); турбины высокого давления (ТВД); турбины низкого давления (ТНД); турбины силовой (ТС).

Таблица 2

Заводские и расчетные значения мощности и КПД ГТЭ-6,3/МС

Наименование

Размерность

Обозначение

Значения

Погреш-

ность, %

Формула

завод-

ские

расчет-

ные

1

Эффективная мощность ГТД

кВт

Ne

6300

6362

0,98

14

6275

0,4

41

2

Эффективный КПД ГТД

-

0,31

0,303                                    

2,26

16

0,299

3,55

42

3

Индикаторные мощности: КНД

КВД

ТВД

ТНД

кВт

Nкнд

-

3293

-

-

Nквд

-

11528

-

-

Nтвд

-

11787

-

-

Nтнд

-

3316

-

-

4

Индикаторные КПД:      КНД

                                     КВД

                                     ТВД                                      ТНД

-

hкнд

-

0,806

-

-

hквд

-

0,773

-

-

hтвд

-

0,945

-

-

hтнд

-

0,806

-

-

 

После капитального ремонта необходимо провести испытания газотурбинного привода для определения номинальных параметров, отремонтированного, и сравнивать текущее значение параметров с номинальными параметрами этого агрегата, а не нового. Проверка по общим результирующим параметрам доказывает достоверность методики контроля номинальных параметров газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС. По изменению эффективной мощности и КПД ГТЭ-6,3/МС можно оценить изменение технического состояния в зависимости от регулирования режимов работы ГПА и (или) зарождения и развития неисправностей. Необходимо различать изменение Nе и ηе при регулировании режима работы и при появлении неисправности. Поэтому каждое исследование проводится при идентичных условиях: частота вращения роторов, температура наружного воздуха, режим работы генератора, отборы воздуха должны быть идентичными.

Заключение. Рассчитанные по разработанной методике параметры газотурбинного двигателя имеют погрешность в сравнении с заводскими данными не более 4% по КПД и 1% по мощности, что говорит о возможности применения разработанного алгоритма для целей контроля качества проводимых ремонтов и диагностики технического состояния газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС в условиях эксплуатации. Расширенный ряд определяемых параметров позволяет повысить достоверность и глубину диагностических исследований, что положительно сказывается на общей надёжности не только газотурбинного привода, но и всей системы подготовки и транспорта углеводородного сырья Тямкинского месторождения.

Рецензенты:

Земенков Ю. Д., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Торопов С. Ю.,д.т.н., профессор кафедры «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.