ВВЕДЕНИЕ
Газовые турбины широко используются в химической обрабатывающей промышленности (CPI), поскольку они обеспечивают высокую выходную мощность и высокий общий КПД при относительно разумных затратах. В последние годы множество факторов и постоянный технический прогресс способствовали продолжающемуся развитию газотурбинных систем. К ним относятся следующие:
• Повышение общей эффективности и производительности
• Увеличивается емкость и удельная мощность
• Внедрение различных новых технологий
• Более жесткие стандарты, ожидания и нормативные требования в области охраны окружающей среды, здоровья и безопасности (EHS)
• Повышенная надежность и доступность
• Более компактный дизайн упаковки
• Больше ожиданий от легкого доступа, простоты эксплуатации и обслуживания
Производство газовых турбин - это динамичный рынок, на котором каждое десятилетие появляются новые конструкции. В результате за последние 40 лет температурные характеристики турбины увеличились примерно на 10 ° C в год, что соответствует увеличению выходной мощности примерно на 1,5–2% (для газовой турбины того же размера), а также примерно Ежегодное повышение КПД простого цикла на 0,4–0,6% (в среднем).
Упаковка газовой турбины - это практика комбинирования и интеграции оборудования и компонентов для конкретных приложений и установок. Упаковка газовой турбины обычно включает настройку конструкции для создания наиболее подходящего решения для конкретного объекта. Решения по упаковке обычно связаны с компрессорными линиями, большими насосами, специальным генератором электроэнергии и другими агрегатами для заводов CPI.
В настоящее время авиационная газовая турбина предпочтительнее для применений CPI по сравнению с другими типами газовых турбин (например, сверхмощными рамными газовыми турбинами), поскольку она обеспечивает превосходные характеристики с точки зрения эксплуатационной гибкости, эффективности, компактных размеров, легкости и усовершенствованных технологий. концепции упаковки. Авиационная газовая турбина состоит из двух частей - авиационной газогенераторной секции и автономной турбины. Газогенератор является производным от авиационного двигателя, который был модифицирован для сжигания топлива, обычно доступного в единицах CPI (например, природного газа).
УПАКОВКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Как очень большие современные установки CPI, так и новые поколения небольших установок CPI представляют собой уникальные проблемы, когда дело доходит до компоновки газовых турбин. В последние годы возобновился интерес к малым предприятиям ИПЦ в различных частях мира, особенно в некоторых развивающихся странах. Упаковка газовой турбины для таких небольших объектов CPI должна быть выполнена таким образом, чтобы свести к минимуму общее количество единиц оборудования (и этапов процесса) и оптимизировать капитальные затраты и занимаемую площадь, в то же время получив максимально возможное оперативность и надежность.
С другой стороны, некоторые новые, очень крупные заводы CPI создают другие проблемы. За последние 40 лет в некоторых секторах ИПЦ пропускная способность одной производственной линии увеличилась примерно в 5-10 раз, в то время как общая эффективность газотурбинных агрегатов (используемых в этих производственных линиях) почти удвоилась. В то же время сокращаются сроки строительства и ввода в эксплуатацию благодаря усовершенствованию модульных работ и сборке очень больших и сложных газотурбинных агрегатов. Все эти факторы создают определенные проблемы для современных газовых турбин.
Глубокая интеграция - это новый термин, используемый для современных газовых турбин на передовых заводах; это означает, что интеграция и согласование газовой турбины с установкой (окружающими и сопутствующими объектами) намного лучше по сравнению с более старыми проектами. Например, такая интеграция предполагает гораздо лучшее использование тепла, рекуперированного из выхлопных газов газовой турбины. Глубокая интеграция электроэнергии, тепла и других эксплуатационных аспектов в сочетании с использованием концепций модульного дизайна стала ключом к успеху в современной компоновке газовых турбин. На рисунке 4 показан пример очень большой газотурбинной установки. Также показаны впускной воздушный фильтр и выхлопная труба.
ГАЗОТУРБИННАЯ ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА
Если он доступен на заводе CPI, природный газ - лучший вариант топлива для большинства газовых турбин. Использование природного газа может снизить затраты на техническое обслуживание, снизить надежность и сократить выбросы по сравнению с жидким топливом.
Однако, несмотря на преимущество природного газа, около 30-40% всех газовых турбин работают на жидком топливе, который может варьироваться от легкого жидкого топлива (нафта, керосин и другие) до тяжелого топлива. Выбор топлива сильно зависит от приложения CPI. Тяжелые виды топлива часто вызывают проблемы с надежностью, более высокие выбросы и быструю деградацию. В некоторых случаях сообщалось о снижении выработанной мощности на 10–15% для некоторых газовых турбин, использующих тяжелое топливо, в течение нескольких недель после запуска. Однако пользователям следует учитывать, что в газовых турбинах на базе авиационных двигателей нельзя использовать тяжелое топливо.
Топливо - будь то газ или жидкость - следует впрыскивать под давлением примерно на 3–5 бар выше давления нагнетания воздушного компрессора. Системы сжатия и перекачивания топлива, особенно системы компрессора топливного газа, важны и требуют пристального внимания при проектировании всего агрегата газовой турбины. Для таких применений важно выбрать правильный безмасляный компрессор с правильными характеристиками сжатия и допустимым давлением.
ФИЛЬТРАЦИЯ НА ВХОДЕ ВОЗДУХА
Также важна правильная система фильтрации входящего воздуха; в противном случае нежелательные твердые частицы во входящем воздухе могут вызвать эрозию и загрязнение лезвия или засорение. Минимальным требованием должна быть высокоэффективная многоступенчатая система фильтрации воздуха для удаления частиц размером до 1 мкм (или меньше) из входящего воздуха.
ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО
Выбор размера пускового устройства для газовой турбины является важным фактором для любой газовой турбины. В конструкции турбины свободной мощности (включая многие производные от авиации и некоторые машины тяжелого промышленного типа, такие как двухвальные и многовальные конструкции) пусковое устройство не должно вращать все валы турбины и приводимое оборудование. Скорее, он должен быть спроектирован так, чтобы преодолевать крутящий момент, необходимый для запуска секции газогенератора.
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Стандарты для газовых турбин и вспомогательного оборудования газовых турбин (например, API-616, API-614, ASME и другие) попытались указать минимальные требования для указанных приложений в кодексе. Основная проблема заключается в том, что некоторые полезные требования перечислены как необязательные в правилах, касающихся газовых турбин. Как показывает практика, пользователи должны соблюдать все требования (как обязательные, так и дополнительные) к корпусу газовой турбины. Иногда для достижения высокого уровня производительности и надежности необходимо указывать требования, выходящие за рамки кодов. Учтите следующее:
• Коды обычно обновляются каждые 5–10 лет, а новейшим технологиям, инновационным разработкам, последним наблюдениям или новому опыту обычно требуется несколько лет, чтобы привлечь внимание (и принять) группу (группы) по кодированию, а затем включить их. в коды
• В коллективной работе должны участвовать представители разных групп, поставщиков и другие лица, с разным опытом и целями, чтобы подготовиться к соблюдению соответствующих кодексов. Примечание: основной упор в кодах не обязательно должен быть на лучшей производительности и надежности (для операторов); скорее, окончательная (или согласованная) спецификация должна быть оптимизированным набором требований (или иногда скомпрометированных). Другими словами, любой пользователь должен знать, что некоторые элементы, указанные в кодах, не обязательно являются наилучшей технологией для операторов, и часто необходимо указать некоторые требования в дополнение к кодам.
Всегда вызывает серьезное беспокойство система смазочного масла (обычно называемая «масляной системой»). Конструкция, в которой первичный масляный насос приводится в действие валом главного механизма, обычно неприемлема для любого высокоскоростного турбомашинного оборудования (включая газовую турбину). Сама по себе высокая скорость - одна из причин; это обычно не сочетается с более низкими скоростями масляных насосов. Использование редуктора для соединения масляного насоса с валом турбомашинного оборудования часто является плохим решением, поскольку отказ масляного насоса может привести к остановке турбомашинного агрегата.
РЕКУПЕРАЦИЯ ТЕПЛА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Для некоторых газотурбинных установок рекуперация тепла является источником многих проблем и проблем. Одна из причин может заключаться в том, что, несмотря на газовую турбину, которая предлагается в стандартных моделях, установка рекуперации тепла обычно представляет собой систему, разработанную по индивидуальному заказу. Производительность и надежность газотурбинного агрегата зависят от системы рекуперации тепла. Проектирование, изготовление и эксплуатация такой системы рекуперации тепла как составной части общей системы газотурбинного агрегата. В наиболее распространенной форме выхлопные газы из газовой турбины попадают в парогенераторную систему с рекуперацией тепла (HRSG), где энергия горячих выхлопных газов используется для нагрева воды для производства пара.
Многие котлы-утилизаторы спроектированы в разных модулях и секциях. Во многих случаях каждый HRSG имеет подогреватель, экономайзер и перегреватель. Пар для современных паровых турбин обычно перегрет. Обычно используются как вертикальные, так и горизонтальные HRSG.
Напротив, прямоточные парогенераторы (OTSG) используются в некоторых приложениях, поскольку они дешевле, проще и компактнее по сравнению с другими конструкциями HRSG. В системах OTSG нет определенных секций экономайзера, испарителя или пароперегревателя. Проще говоря, в системе OTSG вода входит с одного конца, а пар выходит с другого. Нет необходимости в барабанах, различных секциях и многих других вспомогательных устройствах (или принадлежностях).
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ
Необходимо контролировать температуру металла лопаток турбины, чтобы гарантировать надежность первого ряда лопаток турбины и других горячих секций. Использование пирометров для измерения температуры металла лопастей предлагается в некоторых газотурбинных установках для установок CPI. Очень высокое давление в воздушно-осевых компрессорах газовых турбин привело к тому, что эти компрессоры имеют очень узкий рабочий диапазон между помпажем и дросселем. Осевые компрессоры газовых турбин очень чувствительны к загрязнениям и загрязнениям и даже к незначительным изменениям угла лопастей.
СМАЗОЧНОЕ МАСЛО ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Смазочные масла для газовых турбин подвержены широкому спектру суровых условий, таких как сильная жара, сильное загрязнение, непреднамеренное смешивание с различными веществами и многое другое. Эти эффекты могут ухудшить целостность базового масла и истощить любые присадки, вызывая необратимые молекулярные изменения и, следовательно, изменения в смазочных маслах.
В большинстве газотурбинных агрегатов используется масло с относительно низкой вязкостью (по сравнению с маслом, используемым в редукторах и поршневых машинах), например, с классом вязкости по ISO (VG) 46.
Смазочное масло с оптимальной вязкостью снижает потери энергии при работе, поскольку сила трения в подшипниках и других смазываемых деталях будет уменьшена. Обычно пользователи ожидают относительно низкого количества добавляемого масла для смазочного масла для газовых турбин (скажем, в среднем добавляется менее 5–10% масла в год). Эта низкая потребность в подпитке является фактором, который способствует применению высококачественных смазочных материалов с длительным сроком службы для газовых турбин. Обычно масло в газотурбинном агрегате (без редуктора) при правильном выборе и правильном обслуживании не требует частого слива и замены и, таким образом, может служить относительно долгое время. Трудно назвать ожидаемую жизнь, но это может быть вопросом лет. Масла для газовых турбин должны содержаться в хорошем состоянии (например, избегать возможного загрязнения водой и другими жидкостями, использовать хорошие уплотнения,
Как правило, для газовых турбин, работающих при высоких температурах, окисление смазочного масла может быть важной проблемой. Высокая температура напрямую влияет на окисление. Тепло также сокращает срок службы масла. Для высокотемпературных применений скорость окисления обычно увеличивается вдвое на каждые 10 ° C повышения температуры масла.