Результат интеллектуальной деятельности: Комплексное воздухоочистительное устройство в составе газоперекачивающего агрегата

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к комплексным воздухоочистительным устройствам газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным двигателем (ГТД), установленных на компрессорных станциях магистральных газопроводов и может быть использовано для повышения надежности работы ГТД в составе ГПА.

Комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ) газоперекачивающих агрегатов газотурбинным двигателем предназначено для очистки от пыли и других механических включений циклового воздуха, поступающего из атмосферы в осевой компрессор газотурбинного двигателя, с целью уменьшения эрозионного износа его лопаточного аппарата до допустимых по условиям ресурса двигателя пределов, а также уменьшения отложений пыли в проточной части компрессора, снижающих надежность работы двигателя.

В качестве аналога рассматривается воздухоочистительное устройство для газотурбинного двигателя, содержащее воздухоприемную камеру, сообщающуюся с всасывающим трактом двигателя, воздушные фильтры, систему подогрева циклового воздуха. Устройство снабжено вертикальной трубой, на входном срезе которой на опорно-поворотном механизме по аналогии с конструкцией флюгера установлен самоустанавливающийся воздухозаборник. Его воздухоприемное отверстие ориентировано перпендикулярно оси трубы всегда навстречу ветру. Над всасывающим трактом установлен инерционный пылеуловитель, а в основании трубы расположена пылесборная камера, оборудованная дверью и шибером, отсекающим ее от инерционного пылеуловителя на время чистки камеры. Изобретение позволяет оптимизировать работу воздухоочистительного устройства и повысить его эффективность, а именно: повысить степень очистки атмосферного воздуха, защитить от быстрого засорения воздушные фильтры и увеличить период их работы, эффективно работать в условиях снежных бурь, сильной запыленности и ветра, очищать пылесборную камеру без прекращения работы газотурбинного двигателя, эффективно использовать силу ветра для снижения падения давления во всасывающем тракте и, соответственно, обеспечить повышение КПД двигателя (см. патент РФ на изобретение №2392463, опубл. 20.06.2010).

Недостатком данной конструкции воздухоочистительного устройства является высокая значимость опорно-поворотного механизма, в результате неисправности которого, ввиду ухудшения погодных условий, значительно вырастает гидравлическое сопротивление входного тракта, что не только влечет повышение расхода топливно-энергетических ресурсов, но и подвергает риску нормальную работу газоперекачивающего агрегата.

Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является газоперекачивающий агрегат с газотурбинной установкой ГТУ-16С с комплексным воздухоочистительным устройством в составе, включающем в себя воздухозаборную камеру соединенную с воздухозаборным трактом, воздухоочистительные фильтры, короба отсоса пыли, вентиляторы охлаждения, шумоглушитель, решетки для подогрева циклового воздуха, противообледенительную систему. При этом воздухозаборная часть КВОУ, через которую цикловой воздух, поступает из атмосферы находится в непосредственной близости от блока маслоохладителей (БМО), а именно воздухозабор происходит над вентиляторами охлаждения БМО, а противообледенительная система транспортирует смесь горячего воздуха и выхлопных газов на воздухозаборный тракт фильтров комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) повышенной температуры из-за полости компрессора высокого давления (КВД) и из-за полости глубокого стравливания компрессора высокого давления.

Недостатком данной системы является близкое расположение зоны всасывания циклового воздуха к вентиляторам секций блока маслоохладителей, вследствие чего температура всасываемого циклового воздуха повышается на 2-3°С, что влечет за собой повышение расхода топливного газа ГТД на 0,5-1%, кроме того газовоздухопровод противообледенительной системы, транспортирует смесь горячего воздуха, температурой 340°С, из-за полости компрессора высокого давления (КВД) и из-за полости глубокого стравливания компрессора высокого давления на входной тракт фильтров комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ), температура такого горячего воздуха составляет 390°С, что опять же, влечет за собой снижение мощности газотурбинного двигателя и повышение расхода топливного газа (см. патент РФ на изобретение №2573437 опубл. 20.01.2016 и Установка газоперекачивающая ГПУ16С/76-1,5 (Инструкция по эксплуатации), Казань, - 1994, КПИ, АО "СМИПО им. М.В. Фрунзе").

Задачей заявленного изобретения является создание комплексного воздухоочистительного устройства в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, нивелирующей недостатки аналога и прототипа, обеспечивающей максимальное снижение негативного влияния теплого воздуха от вентиляторов секций блоков маслоохлаждения без увеличения площади, занимаемой ГПА, предотвращение обледенения всасывающего тракта газотурбинного двигателя в диапазоне температур атмосферного воздуха от +5°С до -10°С, путем подачи горячего воздуха непосредственно в камеру всасывания комплексного воздухоочистительного устройства из системы охлаждения двигателя с минимальными потерями тепловой энергии.

Технический результат заключается в повышении эффективности забора воздуха и качества всасываемого воздуха КВОУ, предотвращении обледенения входного травка газотурбинного двигателя и как следствие минимизации потерь мощности газотурбинного двигателя и снижении расхода топливного газа.

Поставленная задача и указанный технический результат в заявленном комплексном воздухоочистительном устройстве в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, включающем воздухозаборную камеру соединенную с воздухозаборным трактом, воздухоочистительные фильтры, короба отсоса пыли, вентиляторы охлаждения, шумоглушитель, систему обогрева фильтров КВОУ, противообледенительную систему, соответственно решается и достигается тем, что высота воздухозаборного тракта воздухозаборной части КВОУ была увеличена на несколько метров, что исключило негативное влияние теплого воздуха от секций блоков маслоохлаждения, вентиляторы которых выбрасывают отработанный теплый воздух в атмосферу, благодаря более высокому расположению воздухозаборной части КВОУ повысилось качество всасываемого воздуха, так как на такой высоте содержится значительно меньше пыли и взвешенных частиц, что в свою очередь уменьшает скорость загрязнения фильтров КВОУ и проточной части ГТД, при этом секции блоков маслоохлаждения остались на прежнем уровне высоты, благодаря смещению воздухозаборного тракта КВОУ по вертикальной плоскости, общая площадь занимаемая ГПА осталась неизменной, а устройство противообледенительной системы, включающей воздухопровод, транспортирующий горячий воздух в камеру всасывания комплексного воздухоочистительного устройства, соединенную с одной стороны с выходным устройством фильтров камеры всасывания КВОУ, а с другой с всасывающим трактом осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя, при этом воздухопровод транспортирующий горячий воздух непосредственно в камеру всасывания комплексного воздухоочистительного устройства, соединенную с одной стороны с выходным устройством фильтров камеры всасывания КВОУ, а с другой с всасывающим трактом осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя, транспортирует горячий воздух непосредственно из системы охлаждения газотурбинного двигателя из под шумотеплоизолирующего кожуха газотурбинного двигателя, и снабжен вихревым насосом и регулирующей заслонкой, которая открывается в период, когда температура наружного воздуха находится в диапазоне от +5°С до -10°С.

Заявленное изобретение поясняется графическими рисунками, где на фиг. 1 схематично представлена воздухозаборная часть КВОУ, а на фигуре 2 схема работы противобледенительной системы КВОУ в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, посредством которых возможна реализация заявленного изобретения в соответствии с его назначением, где:

1 - КВОУ;

2 - воздухозаборная камера КВОУ;

3 - вентиляторы охлаждения масла блоков маслоохлаждения;

4 - воздухозаборный тракт КВОУ;

5 - секции блоков маслоохлаждения;

6 - камера всасывания комплексного воздухоочистительного устройства;

7 - регулируемая заслонка;

8 - вихревой насос;

9 - воздухопровод горячего воздуха (система обогрева фильтров комплексного воздухоочистительного устройства);

10 - регулируемая заслонка на воздухопроводе подачи горячего воздуха из-за полости компрессора высокого давления (КВД);

11 - регулируемая заслонка на воздухопроводе подачи горячего воздуха из-за полости глубокого стравливания компрессора высокого давления (КВД);

12 - шумотеплоизолирующий кожух газотурбинного двигателя;

13 - всасывающий тракт осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя;

14 - воздухопровод подачи горячего воздуха из-за полости компрессора высокого давления;

15 - воздухопровод подачи горячего воздуха из полости глубокого стравливания компрессора высокого давления;

16 - воздухопровод подачи горячего воздуха из системы охлаждения двигателя (с обдува двигателя),

При этом во время работы газоперекачивающего агрегата забор воздуха из атмосферы для нужд газотурбинного двигателя производится через КВОУ 1, куда он поступает через воздухозаборную камеру 2, в КВОУ происходит его подготовка, а именно очистка от механических примесей, подогрев при работе ГТД при наиболее опасных температурных диапазонах возможного обледенения всасывающего тракта, формирование однородного воздушного потока поступающего в ГТД. На ГПА-16С воздухозаборная камера КВОУ 2 расположена над вентиляторами охлаждения масла 3 секций блоков маслоохлаждения 5. Близкое расположение воздухозаборной камеры 2 повышает температуру всасываемого воздуха на 2-3°С, что влечет за собой снижение мощности газотурбинного двигателя и повышение расхода топливного газа газотурбинного двигателя на 0,5-1%. После дополнительного увеличения уровня высоты воздухозаборного тракта КВОУ 4 в результате монтажа нескольких дополнительных конструкций в высоту удалось исключить негативное влияние «паразитного» воздуха от секций блоков маслоохлаждения 5 и улучшить качество всасываемого воздуха и как следствие уменьшить скорость загрязнения фильтров КВОУ и проточной части ГТД, поскольку с каждым метром высоты запыленность воздуха значительно снижается, при этом секции блоков маслоохлаждения 5 остались на прежнем уровне высоты, благодаря смещению воздухозаборного тракта КВОУ 4 по вертикальной плоскости, общая площадь занимаемая ГПА осталась неизменной. Так же была изменена схема подогрева циклового воздуха, предназначенного для предотвращения обледенения всасывающего тракта осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя 13, при которой воздух из атмосферы поступая через воздухозаборную камеру 2 в комплексное воздухоочистительное устройство 1 и пройдя через фильтры комплексного воздухоочистительного устройства и систему их обогрева 9, поступает в камеру всасывания комплексного воздухоочистительного устройства 6 и далее на всасывающий тракт осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя 13. При этом для исключения обледенения (обмерзания, инееобразования) элементов всасывающего тракта осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя 13, открывается регулируемая заслонка 7 на воздухопроводе 16 и горячий воздух из системы охлаждения газотурбинного двигателя (на схеме: воздух с обдува двигателя) поступая из под шумотеплоизолирующего кожуха газотурбинного двигателя 12, через регулируемую заслонку 7 и вихревой насос 8 направляется в камеру всасывания комплексного воздухоочистительного устройства 6, где происходит его смешивание с чистым воздухом, поступающим через фильтры комплексного воздухоочистительного устройства 9, причем параметры температуры образовавшейся воздушной смеси таковы, что полностью исключают вероятность обледенения элементов всасывающего тракта осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя 13. При этом, открывая регулируемую заслонку 10 на воздухопроводе подачи горячего воздуха из-за полости компрессора высокого давления (КВД) 14, можно обеспечить дополнительный подогрев фильтров комплексного воздухоочистительного устройства 9, а так же открывая регулируемую заслонку 11 на воздухопроводе подачи горячего воздуха из-за полости глубокого стравливания компрессора высокого давления (КВД) 15 можно увеличить степень подогрева циклового воздуха, за счет увеличения объема горячего воздуха проходящего через вихревой насос 8 и вихревому эффекту Ранка-Хилша. Однако практика использования заявленного изобретения показала, что нет необходимости в дополнительной подаче горячего воздуха из воздухопроводов 14 и 15.

Комплексное воздухоочистительное устройство в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, представленное в заявленном изобретении, успешно применяется на действующей компрессорной станции в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем ГТК-10-4 в условиях его эксплуатации при различных параметрах атмосферы и режимах работы, что позволяет успешно эксплуатировать ГПА без потери мощности, предотвратить обледенение (обмерзание, инееобразование) элементов всасывающего тракта осевого компрессора газовой турбины газотурбинного двигателя и повысить надежность работы газоперекачивающего агрегата в целом.