Анализ характеристик существующих компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов показывает, что коэффициент использования тепла топлива (КИТТ) приводных газотурбинных двигателей (ГТД) не превышает 40 %. Это означает, что более 60 % энергии топлива в компрессорных станциях полезно не используется.

Существующие и вновь проектируемые компрессорные станции магистральных газопроводов на базе ГТД ГП НПКГ "Зоря" - "Машпроект" могут быть сведены к следующим разновидностям:

Традиционным путем повышения КИТТ КС является дальнейшее повышение к.п.д. ГТД простой схемы путем улучшения параметров термодинамического цикла. Однако даже по самым оптимистическим оценкам к.п.д. ГТД простой схемы в обозримой перспективе не превысят 39 %. Повышение КИТТ КС возможно путем создания ГТД усложненной схемы. Так, применение ГТД с однокаскадным компрессором и регенератором в качестве привода нагнетателя КС обеспечивает КИТТ на уровне 41…42 %.

Идея повышения КИТТ КС путем использования парогазовых технологий не нова, и на ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект" имеется определенный научно-технический задел по указанной тематике. Применение бинарной парогазовой установки и, в частности, теплоутилизационного контура (ТУК) с паровой турбиной, приводящей электрогенератор, в ряде случаев может оказаться наиболее целесообразным для перспективных и модернизируемых КС. Наличие мощного автономного источника электроэнергии позволяет более гибко и эффективно решать задачи электроснабжения КС.

Наиболее существенной особенностью, влияющей на принятие решения по использованию ТУК, является возможное отсутствие в районах расположения КС водных ресурсов. Эта причина обуславливает применение воздушного конденсатора паровой турбины.

Эффективность ТУК во многом определяется к.п.д. паровой турбины, преобразующей потенциальную энергию водяного пара в механическую работу. Весьма сложно спроектировать турбину с высоким к.п.д., если геометрические размеры турбины малы. В ТУК КС целесообразно применение общей паровой турбины для всех ГТД. При этом водяной пар генерируется в индивидуальных утилизационных парогенераторах (УПГ), установленных на выхлопных устройствах каждого ГТД, и с помощью системы паропроводов подается в общую паровую турбину.

Параметры ГТД ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект" скорректированы на влияние гидравлических сопротивлений УПГ. В качестве УПГ рассматривался парогенератор КУП-7800, спроектированный ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект".

Результаты расчетов показывают, что наибольшую паропроизводительность имеет УПГ ГТД ДН80 - 34,5 т/ч, а наименьшую - УПГ ГТД ДТ71 - 9,5 т/ч. Мощность паровой турбины прямо пропорциональна расходу пара через турбину и перепаду энтальпий на турбине. Расход пара обратно пропорционален его давлению. С другой стороны, чем ниже давление пара перед паровой турбиной, тем меньше срабатываемый на ней перепад энтальпий. Совместное воздействие рассматриваемых факторов приводит к появлению экстремума зависимости мощности паровой турбины от давления пара. В окрестности экстремума указанная зависимость имеет пологий характер, поэтому значения давлений пара в диапазоне от 2 до 3 МПа можно считать соответствующими экстремуму по мощности паровой турбины.

В соответствии со схемой отвода тепла из термодинамического цикла с помощью сухой градирни, мощность, затрачиваемая на организацию процесса отвода тепла из термодинамического цикла, складывается из мощностей трех водяных насосов. Расчеты свидетельствуют, что наибольшие затраты мощности на привод водяных насосов соответствуют минимальному значению давления в конденсаторе.

Альтернативная схема отвода тепла из термодинамического цикла предусматривает использование вместо сухой градирни аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Мощность, затрачиваемая на организацию процесса отвода тепла из термодинамического цикла, суммируется из мощностей трех водяных насосов и мощности электромотора АВО. Анализ показывает, что в среднем на каждый килограмм сконденсированного пара требуется затратить 47,5 кВт мощности на привод АВО.

Результаты расчетов зависимостей КИТТ от давления в конденсаторе для КС на базе ГТД ДН80, ДГ90, ДЖ59, ДР59, ДТ71 показывают, что наибольшие значения КИТТ могут иметь КС на базе ГТД ДН80, а наименьшие - КС на базе ГТД ДР59. Значения КИТТ для КС с сухой градирней примерно на 0,5…0,6 % больше соответствующих КИТТ для КС с АВО.

КИТТ КС на базе ДН80 с АВО могут иметь значения от 42,4 до 43,7 %. Для КС на базе ДР59 КИТТ может иметь значения от 31,2 до 32,3 %. В среднем, в зависимости от давления в паровом конденсаторе, применение ТУК приводит к увеличению КИТТ КС в 1,21…1,24 раза.

Функционирование парового ТУК КС сопровождается потерями пара и конденсата в системах ТУК, а также потерями продувочной воды УПГ.

Поскольку паровой ТУК КС по своим конструктивным параметрам и условиям эксплуатации наиболее близок к судовой утилизационной паротурбинной установке, то в качестве оценки потерь пара и конденсата принималось значение 2 % от производительности парогенератора.

Для восполнения потерь питательной воды утилизационных парогенераторов на КС необходимо предусмотреть систему водоподготовки.

К достоинствам применения парового ТУК КС можно отнести: повышение КИТТ КС в 1,21…1,24 раза; возможность унификации ТУК для всех КС; возможность применения ТУК при модернизации КС с зарубежными ГТД; возможность улучшения экологических характеристик КС путем подачи водяного пара в камеры сгорания приводных ГТД; наличие большого опыта создания и эксплуатации судовых ГТД с паровым ТУК.

К недостаткам парового ТУК КС следует отнести: большую общую металлоемкость; большую площадь застройки и сложность системы отвода тепла; потребность в значительном количестве воды.

Выводы: -внедрение парового ТУК в конструкцию КС позволяет дополнительно производить от 7 до 18 МВт электрической энергии и повысить коэффициент использования тепла топлива в 1,21…1,24 раза; -ТУК может быть создан унифицированным, пригодным для использования на существующих и перспективных отечественных и зарубежных КС; -в отсутствие водных ресурсов, пригодных для отвода тепла из ТУК, возможно использование сухих градирен или аппаратов воздушного охлаждения.