О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса
Выполнен углубленный термодинамический анализ газотурбинной компрессорной установки углеводородного газа и анализ возможных способов повышения ее эффективности. Определен потенциал снижения существующих потерь эксергии в элементах. Предложены возможные конструктивные усовершенствования отдельных сис...
Saved in:
| Date: | 2017 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2017
|
| Series: | Промышленная теплотехника |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142411 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса / С.А. Прилипко, И.Н. Тертышный, В.П. Парафейник // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 54-61. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142411 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1424112025-02-23T17:32:03Z О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса The design of a gas turbine driven compressor unit based on an in-depth thermodynamic analysis of its working process Прилипко, С.А. Тертышный, И.Н. Парафейник, В.П. Тепло- и массообменные аппараты Выполнен углубленный термодинамический анализ газотурбинной компрессорной установки углеводородного газа и анализ возможных способов повышения ее эффективности. Определен потенциал снижения существующих потерь эксергии в элементах. Предложены возможные конструктивные усовершенствования отдельных систем установки и режимов работы, а также показано их влияние на эффективность работы установки. Виконано поглиблений термодинамічний аналіз газотурбінної компресорної установки вуглеводного газу та аналіз можливих шляхів підвищення її ефективності. Визначено потенціал зниження існуючих втрат ексергії в елементах. Запропоновані можливі конструктивні вдосконалення окремих систем установки та режимів роботи, а також продемонстровано їх вплив на ефективність роботи установки. In-depth thermodynamic analysis of the gas turbine compressor unit of hydrocarbon gas and analysis of possible ways to improve its efficiency. The potential for reducing existing exergy losses in the elements has been determined. Possible design improvements are proposed for individual unit systems and operating modes, and their effect on the efficiency of the unit is shown. 2017 Article О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса / С.А. Прилипко, И.Н. Тертышный, В.П. Парафейник // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 54-61. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0204-3602 DOI https://doi.org/10.31472/ihe.5.2017.10 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142411 621.515 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты Прилипко, С.А. Тертышный, И.Н. Парафейник, В.П. О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса Промышленная теплотехника |
| description |
Выполнен углубленный термодинамический анализ газотурбинной компрессорной установки углеводородного газа и анализ возможных способов повышения ее эффективности. Определен потенциал снижения существующих потерь эксергии в элементах. Предложены возможные конструктивные усовершенствования отдельных систем установки и режимов работы, а также показано их влияние на эффективность работы установки. |
| format |
Article |
| author |
Прилипко, С.А. Тертышный, И.Н. Парафейник, В.П. |
| author_facet |
Прилипко, С.А. Тертышный, И.Н. Парафейник, В.П. |
| author_sort |
Прилипко, С.А. |
| title |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| title_short |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| title_full |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| title_fullStr |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| title_full_unstemmed |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| title_sort |
о возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные аппараты |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142411 |
| citation_txt |
О возможности совершенствования конструкции газотурбинной компрессорной установки на основе углубленного термодинамического анализа ее рабочего процесса / С.А. Прилипко, И.Н. Тертышный, В.П. Парафейник // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 54-61. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT prilipkosa ovozmožnostisoveršenstvovaniâkonstrukciigazoturbinnojkompressornojustanovkinaosnoveuglublennogotermodinamičeskogoanalizaeerabočegoprocessa AT tertyšnyjin ovozmožnostisoveršenstvovaniâkonstrukciigazoturbinnojkompressornojustanovkinaosnoveuglublennogotermodinamičeskogoanalizaeerabočegoprocessa AT parafejnikvp ovozmožnostisoveršenstvovaniâkonstrukciigazoturbinnojkompressornojustanovkinaosnoveuglublennogotermodinamičeskogoanalizaeerabočegoprocessa AT prilipkosa thedesignofagasturbinedrivencompressorunitbasedonanindepththermodynamicanalysisofitsworkingprocess AT tertyšnyjin thedesignofagasturbinedrivencompressorunitbasedonanindepththermodynamicanalysisofitsworkingprocess AT parafejnikvp thedesignofagasturbinedrivencompressorunitbasedonanindepththermodynamicanalysisofitsworkingprocess |
| first_indexed |
2025-11-24T02:37:30Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:37:30Z |
| _version_ |
1849637575394852864 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №554
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
УДК 621.515
О ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОТУРБИННОЙ
КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ УГЛУБЛЕННОГО
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЕЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
Прилипко С. А., Тертышный И.Н., Парафейник В.П., докт. техн. наук
ПАО «Сумское НПО», ул. Горького 58, Сумы, 40004, Украина
Виконано поглиблений
термодинамічний аналіз газотурбінної
компресорної установки вуглевод-
ного газу та аналіз можливих шляхів
підвищення її ефективності. Визначе-
но потенціал зниження існуючих втрат
ексергії в елементах. Запропоновані
можливі конструктивні вдосконалення
окремих систем установки та режимів
роботи, а також продемонстровано їх
вплив на ефективність роботи установ-
ки.
Выполнен углубленный термоди-
намический анализ газотурбинной ком-
прессорной установки углеводородного
газа и анализ возможных способов по-
вышения ее эффективности. Определен
потенциал снижения существующих
потерь эксергии в элементах. Пред-
ложены возможные конструктивные
усовершенствования отдельных систем
установки и режимов работы, а также
показано их влияние на эффективность
работы установки.
In-depth thermodynamic analysis
of the gas turbine compressor unit of
hydrocarbon gas and analysis of possible
ways to improve its efficiency. The potential
for reducing existing exergy losses in the
elements has been determined. Possible
design improvements are proposed for
individual unit systems and operating
modes, and their effect on the efficiency of
the unit is shown.
Библ. 11, табл. 5, рис. 1.
Ключевые слова: компрессорная установка, термодинамическая эффективность, эксергия, компрессор, техноло-
гическая схема, коэффициент полезного действия.
E – эксергия потока;
ΔE – абсолютные потери эксергии;
δ E – относительные потери эксергии;
АВО – аппарат воздушного охлаждения;
ГТД – газотурбинный двигатель;
ГТП – газотурбинный привод;
ДКС – дожимная компрессорная станция;
КНД (КВД) – корпус сжатия низкого (высокого) давле-
ния;
КУ- компрессорная установка;
КС – компрессорная станция;
КСК – каскад сжатия компрессора;
КПД – коэффициент полезного действия;
М – мультипликатор;
С – сепаратор;
ССК – секция сжатия компрессора;
ПЧ – проточная часть;
ТКА – турбокомпрессорный агрегат;
ТС – технологическая схема;
ЦК – центробежный компрессор;
ЭТС – энерготехнологическая система.
Индексы верхние:
AV – устранимая составляющая часть потерь;
EN, EX – внутренняя и внешняя составляющие потерь;
z – наименование элемента;
гтп – газотурбинный привод;
сск – секция сжатия компрессора;
Индексы нижние:
вх – вход;
вых – выход;
кг – компримируемый газ;
м – механическая составляющая;
тг – топливный газ;
э – электроэнергия.
Компрессорные установки являются основным
оборудованием линейных, дожимных КС, станций под-
земного хранения газа и КС газовой и нефтяной про-
мышленности другого назначения, которые представ-
ляют собой сложные ЭТС. Для оценки энергетической
эффективности ТКА в действующей нормативной доку-
ментации используются два показателя: эффективный
КПД двигателя и политропный КПД компрессора. Ин-
тегральный показатель эффективности КУ, как сложной
ЭТС, отсутствует [1]. В качестве интегрального показа-
теля эффективности КУ при эксплуатации может при-
меняться показатель расхода топливного газа (кг/час)
или его удельное значение (кг/кВт∙ч). Однако на пред-
проектной стадии работ по созданию нового образца
такой интегральный показатель эффективности не всег-
да приемлем, т.к. его использование не позволяет вы-
полнить анализ влияния отдельных элементов ЭТС на
эффективность установки в целом.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 55
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Как показывает опыт исследований различных
ЭТС, анализ эффективности работы систем такого на-
значения целесообразно выполнять с привлечением экс-
ергетического и эксергоэкономического методов анали-
за [2, 3 и другие].
Цель работы – анализ возможных направлений со-
вершенствования ЭТС газотурбинных КУ углеводород-
ного газа на основе углубленного термодинамического
анализа их рабочего процесса.
Анализ возможных вариантов совершенствования
выполнен на примере блочно-комплектной КУ, создан-
ной на основе двухкорпусного ЦК и ГТД ДТ 70П судово-
го типа номинальной мощностью 8,0 МВт конструкции
ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект» (г. Николаев) для ДКС
«Найып» (Туркменистан). Установка предназначена для
сбора, компримирования, подготовки природного газа,
поступающего с газовых скважин, и подачи его в газо-
провод. В состав установки входит система охлаждения
на основе АВО, установленные на выходе каждого кор-
пуса сжатия ЦК, и сепараторы , установленные на входе
КНД и КВД компрессора, а также после концевого АВО
высокого давления. Утилизация теплоты выхлопных га-
зов ГТД в составе ТКА не предусматривалась. Принци-
пиальная ТС установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема КУ с двухкаскадным сжатием углеводородного газа.
Особенностью эксплуатации установки является
то, что в процессе ее эксплуатации на месторождении
снижается давление газа на входе в ДКС. В то же время
давление на выходе из установки должно поддерживать-
ся постоянным. Для обеспечения постоянных параме-
тров газа на выходе применяются различные способы,
в т.ч. замена ПЧ. Для данной установки проектом было
предусмотрено, в зависимости от величины давления
газа на входе в ДКС, использование двух типов ПЧ.
При анализе термодинамического совершенства КУ
рассмотрены следующие режимы работы: 1 – расчет-
ный режим начального периода эксплуатации ТКУ с ПЧ
№1; 2 – расчетный режим конечного периода эксплуата-
ции ТКУ с ПЧ №1; 3 – режим работы ПЧ №1 с учетом
фактических данных. Основные параметры рассматри-
ваемых режимов работы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные технологические параметры установки
№
режима
Производительность,
млн.ст. м3/сут (кг/с)
Давление КПД
политропный Эффективный
КПД ГТД
Мощность
СТ, кВтНа входе,
МПа
На выходе,
МПа КНД КВД
1 2,229 (19,083) 1,05 4,51 0,750 0,688 0,304 6863
2 1,598 (13,68) 0,61 4,73 0,750 0,698 0,307 7174
3 1,587 (13,581) 0,77 3,87 0,743 0,702 0,287 5356
При проведении термодинамического анализа ра-
бочего процесса установки используется метод балан-
са эксергии, впервые исследованный применительно к
газотурбинным ТКУ в работах [4-6]. При его использо-
вании интегральным показателем термодинамического
совершенства ТС установки является эксергетический
КПД ( ), который может определяться на основе анализа
потоков эксергии на входе и выходе установки, а также
на входе и выходе каждого из ее элементов. При этом
потоки эксергии определяются с использованием из-
вестной зависимости [2].
Результаты расчета эффективности установки с
учетом режимов, приведенных в табл.2, представлены
в табл. 2.
Результаты эксергетического анализа работы КУ
позволяют отметить:
1. Фактический интегральный КПД установки из-
меняется в диапазоне 0,165…0,172. При этом проектное
значение величины эффективности для различных ре-
жимов работы находится в диапазоне от 0,168 до 0,172.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №556
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
2. Эффективность установки, рассчитанная с уче-
том действительных параметров, при использовании
ПЧ №1 составляет 0,165. Таким образом, действитель-
ная эффективность установки более низкая по сравне-
нию с ее проектной величиной, что обусловлено отли-
чием фактических условий эксплуатации от заданных
при проектировании КС.
Табл. 2. Результаты расчета эффективности ТКУ при использовании метода балансов эксергии
Режим
работы
Эксергетический КПД отдельных элементов ТКУ
С1,
С2
ГТП М
КСК1 КСК2
КНД АВО1 С3 КВД АВО2 С4
1 0,991 0,304 0,98 0,808 0,782 0,979 0,758 0,71 0,967
2 0,977 0,307 0,98 0,826 0,731 0,983 0,788 0,671 0,975
3 0,98 0,287 0,98 0,795 0,784 0,979 0,774 0,718 0,999
1 – 0,615 0,516
2 – 0,59 0,512
3 – 0,606 0,55
1 – КПД ЦК КЦ
ex =0,56
2 – 0,543
3 – 0,57
1 Интегральный КПД ТКУ ТКУ
ex =0,172
2 ТКУ
ex =0,168
3 ТКУ
ex =0,165
Однако, интегральный эксергетический КПД не
дает представления о величине потерь эксергии в от-
дельных элементах ТС. Поэтому для разработки практи-
ческих рекомендаций по совершенствованию установ-
ки необходимо определение величины потерь эксергии,
а также анализ возможности их уменьшения в каждом
отдельном элементе ТС.
Величина потерь эксергии определяется как разни-
ца эксергии на входе и выходе анализируемого элемента
(установки):
∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸вх − 𝐸𝐸вых,,
∆𝐸𝐸сск = 𝐸𝐸мсск + 𝐸𝐸кг,вхсск − 𝐸𝐸кг,выхсск ,
𝛿𝛿𝐸𝐸𝑧𝑧 = 𝛥𝛥𝛥𝛥𝑧𝑧
𝛥𝛥тггтп+∑ 𝛥𝛥э𝑛𝑛
𝑖𝑖=1
.
(1)
На примере отдельной ССК величина абсолютных
потерь определяется как
∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸вх − 𝐸𝐸вых,,
∆𝐸𝐸сск = 𝐸𝐸мсск + 𝐸𝐸кг,вхсск − 𝐸𝐸кг,выхсск ,
𝛿𝛿𝐸𝐸𝑧𝑧 = 𝛥𝛥𝛥𝛥𝑧𝑧
𝛥𝛥тггтп+∑ 𝛥𝛥э𝑛𝑛
𝑖𝑖=1
.
(2)
Относительные потери эксергии в элементе опреде-
ляют часть эксергии, подведенной к установке в виде
топливного газа 𝐸𝐸тггтп
∑ 𝐸𝐸э𝑛𝑛
𝑖𝑖=1
и электроэнергии
𝐸𝐸тггтп
∑ 𝐸𝐸э𝑛𝑛
𝑖𝑖=1 , т.е.
всего «топлива», которые теряются в рассматриваемом
элементе:
∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸вх − 𝐸𝐸вых,,
∆𝐸𝐸сск = 𝐸𝐸мсск + 𝐸𝐸кг,вхсск − 𝐸𝐸кг,выхсск ,
𝛿𝛿𝐸𝐸𝑧𝑧 = 𝛥𝛥𝛥𝛥𝑧𝑧
𝛥𝛥тггтп+∑ 𝛥𝛥э𝑛𝑛
𝑖𝑖=1
.
(3)
В таблице 3 приведены данные по величине абсо-
лютных и относительных потерь эксергии в элементах
ТКУ для режимов 1 и 3. В таблице 3 представлено так-
же распределение потерь эксергии среди элементов ЦК
(без учета потерь эксергии в ГТП).
Для анализа величины потерь в отдельных элемен-
тах рассматриваемой ТС сравним элементы ТКУ по ве-
личине эксергетического КПД и доле относительных
потерь эксергии. По результатам выполнения отдельных
этапов термодинамического анализа можно отметить:
1. Элементом, который в наибольшей степени вли-
яет на энергетическую эффективность ТКУ является,
как известно, ГТП [7, 8]. Доля потерь эксергии в нем
составляет около 70 %, при этом эксергетический КПД
привода не превышает 30,7 %. Соответственно, ГТП яв-
ляется элементом ТС, который имеет наибольший по-
тенциал снижения энергозатрат в КУ. При этом следует
иметь в виду сложность реализации этой задачи и зна-
чительность капитальных затрат на ее решение.
2. Элементами, оказывающими существенное вли-
яние на эффективность КУ, являются также ССК и АВО.
Потери эксергии в ССК и АВО близки и находятся в ин-
тервале 2,8…3,2 %. АВО и ССК, как отдельные изделия,
имеют близкие значения эксергетического КПД, значе-
ние которых изменяется от 71 до 80,7 % в зависимости
от режима работы [9]. При этом часть потерь эксергии в
АВО приходится на процесс охлаждения технологиче-
ского газа, что является неизбежным элементом рабоче-
го процесса КУ. Повышение эффективности отдельных
элементов ТС осуществляется на основе углубленного
термодинамического анализа рабочего процесса уста-
новки.
3. Сепараторы и другие элементы технологическо-
го контура установки характеризуются незначительны-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 57
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
ми потерями (до 0,4 %) и высоким значением коэффи-
циента преобразования эксергии (96,7..99,9 %), который
равен отношению величины эксергии на выходе к экс-
ергии на входе в элемент. Поэтому работы по совершен-
ствованию этих элементов ТС должны быть направле-
ны на повышение степени очистки газа, надежности и
уменьшение их массогабаритных характеристик, что
достигается в процессе анализа ЭТС и разработки ком-
поновочной схемы КУ.
Таблица 3. Абсолютные и относительные потери эксергии в элементах ЭТС
Наименование
элемента ТС
Режим 1 Режим 3
Абсол.
потери
эксергии,
кВт
Относит.
потери
эксергии
Относит.
потери
эксергии в
ЦК
Абсол.
потери
эксергии,
кВт
Относит.
потери
эксергии
Относит.
потери
эксергии ЦК
ГТД 15638 0,685 – 13305 0,702 –
Мультипликатор 140 0,006 0.019 109 0,006 0.019
Вход КНД 57 0,002 0.008 84 0,004 0.015
КНД 725 0,032 0.099 596 0,031 0.104
АВО НД 690 0,030 0.095 524 0,028 0.091
Вход КВД 52 0,002 0.007 39 0,002 0.007
КВД 715 0,031 0.098 530 0,028 0.092
АВО ВД 671 0,029 0.092 533 0,028 0.093
Выход КУ 54 0,002 0.007 50 0,002 0.001
Итого 18741 0,821 0,426 15733 0,829 0,42
*- элемент «Вход КНД» включает в себя сепаратора С и участок технологического трубопровода с арматурой
от входного коллектора до входного патрубка компрессора НД.
*- элемент «Вход КВД» включает в себя сепаратора С и участок технологического трубопровода с арматурой
от выходного патрубка АВО НД до входного патрубка компрессора ВД.
Современное развитие эксергетического метода
анализа позволяет более глубоко исследовать особенно-
сти рабочего процесса КУ [10 – 12]. В частности, в ра-
боте [11] предлагается разделение потерь эксергии в за-
висимости от факторов, их вызывающих, на внутренние
составляющие (EN), вызванные несовершенством само-
го элемента, и внешние составляющие (EX), вызванные
несовершенством других элементов технологического
контура. Существует также деление потерь в зависимо-
сти от возможности их устранения на устранимые (AV)
и неизбежные (UN).
С практической точки зрения интерес представляет
только устранимая часть потерь эксергии. Определение
и уменьшение этой составляющей и должно являться
основной задачей углубленного термодинамического
анализа эффективности ТС.
Поскольку ГТП является элементом ТКА, к которо-
му подводится поток газообразного топлива, используе-
мого в установке, то существует два направления работ
по снижению потерь эксергии в нем: за счет уменьше-
ния деструкции в самом ГТП (внутренняя составляю-
щая потерь EEN,AV) и за счет уменьшения потерь в других
элементах установки (внешняя составляющая потерь
EEX,AV), в т.ч. в элементах ЦК. По результатам анализа
эффективности работы ГТП доли внешних и внутрен-
них устранимых потерь близки и составляют до 40 % от
величины всех потерь. С учетом вышеизложенного це-
лесообразно применение следующих способов умень-
шения величины потерь эксергии при создании газотур-
бинной ТКУ:
1. Повышение эффективного КПД привода за счет
совершенствования ГТД простого рабочего цикла, при-
меняемых в подавляющем большинстве случаев в со-
ставе ГТП современных КУ.
2. Создание ГТП со сложным рабочим циклом, что
позволяет повысить его эффективный КПД с 30…37%
до 40…45 % (ISO 2314), например, за счет впрыска в ка-
меру сгорания ГТД привода энергетического пара, вы-
рабатываемого в котле-утилизаторе.
3. Использование системы охлаждения циклового
воздуха ГТД для снижения потерь мощности при высо-
ких температурах окружающей среды.
4. Снижение потерь эксергии в компрессорной ча-
сти установки: ЦК, АВО, сепараторы, технологический
контур.
5. Снижение температуры газов, уходящих из
ГТП, путем утилизации их теплоты с выработкой тепла,
холода или электрической энергии, т.е. превращения КУ
в более сложную ЭТС.
В табл. 4 представлены данные о возможности по-
вышении эффективности КУ при использовании некото-
рых из указанных способов, не связанных с изменением
конструкции ГТД. Выполнение расчетов по утилизации
теплоты выхлопных газов выполнялось со следующими
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №558
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
допущениями: температура выхлопных газов на выхо-
де из выхлопной шахты составляет 413,15 К; величи-
на гидравлических потерь выхлопного тракта при ис-
пользовании утилизаторов теплоты составляет 1470 Па.
Табл. 4. Эксергетический КПД установки при использовании различных вариантов совершенствования ГТП
Вариант совершенствования ТС
Режим работы КУ в
составе КС
Режим 1 Режим 3
Проектный вариант без системы утилизации 0,172 0,165
Утилизация теплоты с выработкой тепловой энергии (тепловая мощность
8,5 МВт; режим теплоносителя 343/ 388 К)
0,234 0,224
Утилизация теплоты с выработкой эл. энергии в паротурбинной установке
(ПТУ) (электрическая мощность 1,95 МВт) *
0,272 0,262
Утилизация теплоты с выработкой эл. энергии при использовании ORC-
цикла (электрическая мощность 1,07 МВт) *
0,221 0,213
При охлаждении циклового воздуха на входе ГТД на 1 К** 0,173 0,166
*- величина электрической мощности определена с учетом соответствующей технологической схемы, эффектив-
ности применяемого в настоящее время оборудования и затрат электроэнергии на собственные нужды;
**- охлаждение циклового воздуха в данном случае рассматривается с 315 К до 314 К, значение эксергетиче-
ского КПД установки необходимо рассчитывать отдельно для каждого уровня температур окружающего воздуха.
Анализ результатов расчетного анализа позволяет
отметить следующее:
1. Система утилизации теплоты выхлопных газов
позволяет повысить эффективность КУ от 28 до 60 %
относительных. С точки зрения термодинамической эф-
фективности наиболее целесообразным является вари-
ант создания ПТУ для выработки электрической энер-
гии.
2. При выработке тепла или холода основной про-
блемой является поиск потребителя, который смог бы
обеспечить потребление всего объема вырабатываемого
продукта. Поэтому такое решение должно применяться
с учетом нужд региона размещения КС
3. Охлаждение циклового воздуха на входе ГТД на
1К позволяет повысить эксергетический КПД установ-
ки на величину до 0,7 % отн., что связано с увеличением
располагаемой мощности ГТД и, следовательно, увели-
чением производительности ТКУ или снижением рас-
хода топлива при неизменной производительности.
Внешняя составляющая потерь эксергии в ЦК опре-
деляется наличием гидравлических потерь в технологи-
ческих аппаратах и трубопроводах, а доля устранимых
внешних потерь согласно расчетов составляет около 15
% от общих потерь эксергии в ЦК. Внутренние поте-
ри эксергии в ССК вызваны необратимостью процесса
сжатия. Их устранимая часть с учетом современного
уровня совершенства компрессорного оборудования,
используемого в нефтегазовой отрасли, составляет око-
ло 20 % от общих потерь эксергии в ЦК. В связи с этим
возможными способами снижения потерь эксергии в
ЦК являются:
1. Использование более эффективных ПЧ с более
высоким политропным КПД, составляющим в настоя-
щее время 0,72…0,87, в зависимости от назначения ЦК.
2. Своевременный переход на использование бо-
лее эффективной сменной ПЧ.
3. Уменьшение потерь эксергии в других элемен-
тах установки: АВО, сепараторы, технологические тру-
бопроводы, что требует углубленного изучения этих
вопросов как на стадии разработки ТС, так и компоно-
вочной схемы КУ.
4. Уменьшение недоохлаждения компримируемо-
го газа на выходе из промежуточного АВО.
В табл. 5 представлены данные о возможности по-
вышения эффективности КУ (для режима 3) при ис-
пользовании некоторых из указанных способов.
Увеличение политропного КПД секции ВД на 1 %
абс. позволяет повысить эксергетический КПД всей
установки на 0,6 % относительных, а снижение темпе-
ратуры газа на выходе АВО НД на величину 4 К приво-
дит к повышению значения эксергетического КПД КУ
на величину не более 1 % относительных.
Потери эксергии в АВО имеют две составляющие:
потери, связанные с охлаждением технологического
газа, которые являются технологически заданными и
неизбежными; деструкцией эксергии, которая связана
с наличием гидравлического сопротивления пучка те-
плообменных труб и с затратой электроэнергии на про-
дувку воздухом поверхности теплообменного аппарата.
Вторая составляющая потерь представляет практиче-
ский интерес и является частично устранимой. Доля
устранимых потерь в зависимости от режимов работы
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 59
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
аппарата, составляет от 13 до 25 % от величины общих
потерь эксергии в АВО. Снижение потерь эксергии в
АВО возможно за счет уменьшения гидравлического
сопротивления трубного и межтрубного потоков, что
достигается за счет реализации более совершенных кон-
структивных решений при создании АВО.
Табл. 5. Эксергетический КПД анализируемой КУ при различных вариантах совершенствования рабочего про-
цесса ЦК
Вариант совершенствования ТС Эксергетический КПД
Исходный (проектный) вариант 0,165
Повышение эффективности корпуса сжатия ВД на 1% абс. (с 70%
до 71%)
0,166
Снижение температуры газа на выходе АВО НД с 327,15К до
323,15К (при температуре окружающего воздуха 315,15К)
0,166
Выводы
1. На основании ранее созданной методики экс-
ергетического анализа КУ [13] выполнен углубленный
эксергетический анализ влияния элементов ТС на эф-
фективность работы установки. Определены составля-
ющие потерь эксергии в основных элементах КУ.
2. Наибольшие потери эксергии приходятся на
ГТД, составляющие около 70 %, а его эксергетический
КПД составляет около 30 %. В связи с этим он являет-
ся приоритетным элементом с точки зрения снижения
энергетических затрат. Величина потерь эксергии в ГТД
зависит как от характеристик ГТД, так и других элемен-
тов привода, а также ЦК и других элементов технологи-
ческого контура КУ, предопределяющих режим работы
двигателя.
3. Важным элементом при реализации мероприя-
тий по повышению эффективности установки является
также ЦК. Для уменьшения потерь эксергии в ЦК осо-
бое внимание следует уделить улучшению его газодина-
мических характеристик, т.к. доля внутренней составля-
ющей потерь эксергии в нем составляет около 20 %.
4. Приоритетность и этапность выполнения работ
по повышению энергетической эффективности ТКУ
должно решаться на основе результатов термодинами-
ческого анализа после проведения этехнико-экономиче-
ских расчетов с учетом изменения эксплуатационных и
капитальных затрат на совершенствование каждого эле-
мента ТС в течение жизненного цикла изделия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Типові технічні вимоги до газотурбінних газо-
перекачувальних агрегатів та їх систем // ПАТ «УКР-
ТРАНСГАЗ», К: НВЦ «ТЕХДІАГАЗ»,2014.-87с.
2. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Экс-
ергетический метод и его приложения /Под ред. В.М.
Бродянского //– М.: Энергоиздат, 1988.-288с.
3. Андреев Л.П. Определение КПД газовых меха-
нических нагнетателей / Л.П.Андреев, В.Р.Никульшин
// Промышленная теплотехника. – 1996. – Т.18, №4, -
С.33-35.
4. Парафейник В.П. Научные основы проектиро-
вания блочно-комплектных турбокомпрессорных агре-
гатов и установок с газотурбинным приводом / В.П.
Парафейник // Удосконалювання турбоустановок мето-
дами математичного і фізичного моделювання: зб. на-
укових праць. – Х., 2003. – С.36-46.
5. Парафейник В.П. Анализ обобщенной схемы
комплексной энерготехнологической установки угле-
водородных газов на основе эксергетического метода /
В.П. Парафейник, С.Д.Фролов, И.И.Петухов [и др.] //
Промышленная теплотехника. – 2002. – Т.24, №5.С.63-
68.
6. Метод оценки термодинамического совершен-
ства рабочего процесса многокаскадного центробеж-
ного компрессора нефтяного газа / В.П.Парафейник,
Ю.С.Бухолдин, И.И.Петухов, Ю.В.Шахов,
А.В.Минячихин. // Компрессорная техника и пневмати-
ка в ХХI веке: труды XIII Междунар. науч.-техн. конф.
по компрессоростроению. –Сумы: СумГУ. – 2004. –Т.1.
– С.201-211.
7. Халатов А.А. Состояние и проблемы развития
механического привода для ГТС Украины / А.А. Хала-
тов, А.А. Долинский, Д.А. Костенко, В.П. Парафейник //
Промышленная теплотехника. – 2010. – Т.32, №1.-С.44-
53.
8. Mousafarash A. Exergy and exergo-economic
based analysis of a gas turbine power generation system/
A.Mousafarash, M. Ameri // Journal of Power Technologies.
– 2013. – Vol. 93 (№1). – P. 44-51.
9. Евенко В.И. Эксергетический КПД теплообмен-
ных аппаратов // Химическое и нефтяное машинострое-
ние.1995.№ 1,С.7-12.
10. Мацевитый Ю.М. Системно-структурный ана-
лиз парокомпрессорных термотрансформаторов / Ю.М.
Мацевитого, Э.Г. Братута, Д.Х. Харлампиди, В.А. Та-
расова под общей редакцией Ю.М. Мацевитого //НАН
Украины, Институт проблем машиностроения.- Харь-
ков, 2014.-269 с.
11. Морозюк Т.В. Теория разделения деструкции
эксергии на внутренне- и внешне-зависимые части /
Т.В. Морозюк, Дж. Тсатсаронис // Промышленная те-
плотехника, 2006. –т. 28, №6.–С. 94-99.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №560
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
12. Морозюк Т.В. Новый этап в развитии эксергети-
ческого анализа / Т.В. Морозюк // Холодильна техніка та
технологія, 2014.– №4.–С. 13-17.
13. Парафейник В.П. Оценка эффективности тур-
бокомпрессорной установки с газотурбинным приво-
дом для сжатия нефтяного газа / В.П. Парафейник, С.А.
Прилипко // Технические газы, №3. – 2014. – С. 48-56.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 61
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
ON THE POSSIBILITY OF IMPROVING
THE DESIGN OF A GAS TURBINE DRIVEN
COMPRESSOR UNIT BASED ON AN IN-
DEPTH THERMODYNAMIC ANALYSIS OF ITS
WORKING PROCESS
S.Prylypko, I.Tertyshnyi, V.Parafiynyk
“Sumy NPO” PJSC, 58, Gorkogo Str., Sumy, 40004,
Ukraine
An in-depth thermodynamic analysis of a gas turbine
compressor unit of hydrocarbon gas created on the basis of a
turbocompressor gas turbine unit of the TKA-C-8S type and
an analysis of possible ways to improve its efficiency has
been performed. As an integral indicator of the efficiency
of the unit, the exergy efficiency is used. The division of
exergy losses into components has been performed and the
potential for reducing existing exergy losses in the elements
has been determined. Possible design improvements are
proposed for individual compressor unit systems (GTE,
compressor, AC) and its operating modes. For the proposed
methods, the values of the exergy efficiency of the unit are
calculated.
References 12, tables 5, figure 1.
Key words: compressor unit, thermodynamic efficiency,
exergy, compressor, flow diagram, coefficient of efficiency.
1. TipovI tehnIchnI vimogi do gazoturbInnih
gazoperekachuvalnih agregatIv ta Yih sistem [The typical
technical requirements for gas turbine compressor units and
systems], PJSC Ukrtransgaz, K., 2014.-87p (Ukr).
2. Brodyanskiy V.M., Fratsher V., Mihalek K.
Eksergeticheskiy metod i ego prilozheniya [The exergy
method and its applications], Energoizdat [Energoizdat],
1988, 288p. (Rus).
3. Andreev L.P. Opredelenie KPD gazovyih
mehanicheskih nagnetateley [Determination of the
mechanical efficiency of gas compressors], Promyishlennaya
teplotehnika [Industrial Heat Engineering], 1996, V.18, №4,
P.33-35. (Rus).
4. Parafeynik V.P. Nauchnyie osnovyi proektirovaniya
blochno-komplektnyih turbokompressornyih agregatov i
ustanovok s gazoturbinnyim privodom [Scientific bases of
design of block-complete turbo-compressor units and gas-
turbine drive unit], Udoskonalyuvannya turboustanovok
metodami matematichnogo I fIzichnogo modelyuvannya:
zb. naukovih prats [Perfection of turbo-units by methods
of mathematical and phisical modeling], H., 2003, P.36-46.
(Rus).
5. Parafeynik V.P. Analiz obobschennoy shemyi
kompleksnoy energotehnologicheskoy ustanovki
uglevodorodnyih gazov na osnove eksergeticheskogo
metoda [Analysis of the generalized scheme of a complex
energy-technological unit of hydrocarbon gases based on the
exergy method], Promyishlennaya teplotehnika [Industrial
Heat Engineering], 2002, V.24, №5, P.63-68. (Rus).
6. Parafeynik V.P. Metod ot senki termodinami-
cheskogo sovershenstva rabochego protsessa
mnogokaskadnogo tsentrobezhnogo kompressora
neftyanogo gaza [Method for evaluating the thermodynamic
perfection of the working process of a multistage centrifugal
oil gas compressor], Kompressornaya tehnika i pnevmatika
v HHI veke: trudyi XIII Mezhdunar. nauch.-tehn. konf.
po kompressorostroeniyu [Compressor technology and
pneumatics in the twenty-first century: the works of the XIII
Intern.], SumSU, 2004, V.1, P.201-211. (Rus).
7. Halatov A.A. Sostoyanie i problemyi razvitiya
mehanicheskogo privoda dlya GTS Ukrainyi [State and
problems of development of the mechanical drive for the
Ukrainian gas transportation system], Promyishlennaya
teplotehnika [Industrial Heat Engineering], 2010, V.32, №1,
P.44-53. (Rus).
8. Mousafarash A. Exergy and exergo-economic
based analysis of a gas turbine power generation system/
A.Mousafarash, M. Ameri // Journal of Power Technologies.
– 2013. – Vol. 93 (№1). – P. 44-51. (Eng).
9. Evenko V.I. Eksergeticheskiy KPD teploobmennyih
apparatov [Exergy efficiency of heat exchangers],
Himicheskoe i neftyanoe mashinostroenievoda [Chemical
and petroleum engineering], 1995. № 1.P.7-12 (Rus).
10. Matsevityiy Yu.M. Sistemno-strukturnyiy analiz
parokompressornyih termotransformatorov [System-
structural analysis of vapor compression thermal
transformers], H., Institute For Mechanical Engineering
Problems, 2014, 269p. (Rus).
11. Morozyuk T.V. Teoriya razdeleniya destruktsii
eksergii na vnutrenne- i vneshne-zavisimyie chasti [The
theory of the separation of destruction of exergy into
internal and external dependent parts], Promyishlennaya
teplotehnika [Industrial Heat Engineering], 2006, V.28, №6,
P.94-99. (Rus).
12. Morozyuk T.V. Novyiy etap v razvitii
eksergeticheskogo analiza [A new stage in the development
of exergic analysis], Holodilna tehnIka ta tehnologIya
[Refrigeration Engineering and Technology], 2014, №4, P.
13-17. (Rus).
13. Parafeynik V.P. Otsenka effektivnosti
turbokompressornoy ustanovki s gazoturbinnyim privodom
dlya szhatiya neftyanogo gaza [Estimation of the efficiency
of a turbo-compressor unit with a gas-turbine drive for oil
gas compression], Tehnicheskie gazyi [Technical gases],
№3. 2014. P. 48-56 (Rus).
Получено 10.11.2017
Received 10.11.2017
|