Автор: В.В. Кондратюк, Р.В. Гулидов (АО «Дальэнергомаш»)

Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2017

Внедрение технологии производства слабой азотной кислоты на базе агрегатов УКЛ-7 на предприятиях азотной промышленности началось в начале 70-х гг. прошлого века. Выпуск азотной кислоты на базе агрегата УКЛ-7 мощностью 120 тыс. т мнг HNO3/год (по схеме с одним давлением 7,3 ата) увеличивался почти в 3 раза по сравнению с используемой в то время низкоэффективной технологией с двумя давлениями 1/3,5 ата (45 тыс. т/год). Энергетическим ядром технологической схемы УКЛ-7 стала газовая высокотемпературная турбина, которая служит приводом осевого компрессора, подающего воздух на технологические нужды, и для рекуперации энергии очищенного от окислов азота выхлопного газа («хвостовых газов»).

Серийный выпуск газотурбинных установок ГТТ-3 для работы в составе агрегата УКЛ-7 был освоен на Дальневосточном заводе энергетического машиностроения (в настоящее время – АО «Дальэнергомаш») в 1970 г. [1]. Кроме собственно турбокомпрессора, установка включает редуктор (мультипликатор), дожимной нагнетатель воздуха, разгонный приводной электродвигатель и другие узлы. С 1977 г. стала поставляться модернизированная установка ГТТ-3М. По состоянию на сегодняшний день заводом произведено и поставлено на предприятия азотной промышленности России, Украины, Узбекистана, Литвы, Казахстана более 180 газотурбинных установок для технологических линий УКЛ-7.
Новая газотурбинная установка ГТТ-9 для замены ГТТ-3М
Учитывая, что эксплуатация агрегатов УКЛ-7 на большинстве предприятий азотной промышленности осуществляется уже 35–40 лет, их составные элементы и заложенные в технологии решения объективно нуждаются в замене более технически совершенными. В последние 10–15 лет модернизация агрегатов УКЛ-7 ведется с нарастающей интенсивностью практически на всех ведущих азотных предприятиях страны [2]. Не обошел этот процесс и газотурбинную установку ГТТ-3М.
Задача модернизации ГТТ-3М состояла в упрощении конструкции, повышении КПД и производительности установки, применении современной системы автоматического регулирования при условии сохранения прочих выходных технологических параметров и установочных и монтажных размеров. Совместно с ФГУП «ММПП «Салют» и ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» завод «Дальэнергомаш» успешно решил эту задачу, разработав газотурбинную установку ГТТ-9 [3]. При этом проточная часть турбокомпрессора разработана с использованием современных методов проектирования и оптимизации, используемых в авиационном моторостроении (продольный разрез представлен на рисунке).
Основные конструктивные отличия и преимущества ГТТ-9 перед ГТТ-3М:
  • установка турбины в действующую технологическую линию УКЛ-7 с минимальными доработками корпусных деталей и воздуховодов;
  • полнонапорное сжатие в модернизированном осевом компрессоре, что позволило исключить из состава установки дожимной нагнетатель и редуктор;
  • повышенная производительность (на 27% по сравнению с ГТТ-3М) и возможность ее регулирования в диапазоне 80–105% номинальной;
  • высокая топливная эффективность (потребление природного газа меньше на 10–15% по сравнению с ГТТ-ЗМ);
  • для изоляции «горячей части» турбокомпрессора использованы современные материалы, исключающие проблемы с попаданием в воздушный тракт элементов изоляции;
  • новые опорные демпферные подшипники скольжения с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатической пленке, обеспечивающие более высокую несущую и демпфирующую способность во всем диапазоне режимов эксплуатации установки;
  • пуск турбины осуществляется от высокооборотного электродвигателя с преобразователем частоты, что позволяет исключить использование промежуточной передачи (мультипликатора) и снизить нагрузки на турбокомпрессор во время пуска;
  • благодаря оптимизации конструкции, оптимальному выбору материалов основных деталей турбокомпрессора и обеспечению необходимых коэффициентов запаса увеличен эксплуатационный ресурс работы турбины до 150 000 ч (на 25% больше, чем у ГТТ-3М).
Продольный разрез агрегата ГТТ-9
Установка ГТТ-9 и ряд конструктивных решений защищены патентами РФ.
Улучшение технико-экономических показателей работы в результате сокращения потребления природного газа, электроэнергии, воды и масла, повышения производительности, снижения стоимости средних и капитальных ремонтов из-за сокращения числа узлов и деталей, имеющих ограниченный срок службы (рабочих лопаток, зубчатых муфт, зубчатых передач), делает установки ГТТ-9 достойной заменой выработавшим свой ресурс агрегатам ГТТ-3М. В настоящее время на заводе изготавливается головной образец установки ГТТ-9.
Эволюционный подход к модернизации ГТТ-3М
В отсутствие промышленного образца газотурбинной установки ГТТ-9 для удовлетворения потребностей предприятий азотной промышленности в обновлении и замене газотурбинного оборудования предлагается руководст-воваться эволюционным подходом. Как сильные сторо-ны, так и недостатки газотурбинной установки ГТТ-3М хорошо известны специалистам. ГТТ-3М является единственной промышленной турбиной, разработанной специально для агрегата УКЛ-7, и за почти 50-летний период применения продемонстрировала высокую эксплуатационную надежность.
К числу «узких мест» газотурбинной установки ГТТ-3М в основном относятся следующие:
  • невозможность полной автоматизации работы установки;
  • морально устаревший приводной двигатель;
  • отсутствие постоянной системы виброконтроля;,
  • перегрев и коробление корпуса;
  • высокие затраты на обслуживание.
В последние годы АО «Дальэнергомаш» проведена большая работа по совершенствованию конструкции и автоматизации работы установки, что позволило исключить эти недостатки в установках ГТТ-3М, предлагаемых к поставке в настоящее время [4].
Взамен морально устаревшей гидравлической системы регулирования газотурбинная установка ГТТ-3М сегодня оснащается современной системой на базе микропроцессорной техники. Новая электропневматическая система регулирования полностью исключает использование масла. Соответственно, исключается контур масла предельной защиты: регулятор скорости, блок стопорного и регулирующих клапанов с ограничителем приемистости, перепускной воздушный клапан, электромагнитный вентиль, байпасный клапан с сервомотором, автомат безопасности с масляным выключателем, противопомпажный клапан с сервомотором, электромагнитный выключатель, масляные реле осевого сдвига.
В состав системы входят станция контроля и управления, предусматривающая запись поступающей информации на жесткие диски для анализа критических параметров; контроллер Allen Bradley или Siemens; блок топливных (стопорный и регулирующий) клапанов Woodward; антипомпажный клапан (АПК); регулирующий клапан на подаче первичного воздуха в универсальную камеру сгорания (УКСТ), датчики давления и перепада давления.
Данная система регулирования предназначена для выполнения следующих функций:
  • автоматический пуск, плановый и аварийный остановы установки;
  • измерение частоты вращения с точностью ±1 об/мин;
  • поддержание заданного соотношения топливный газ – первичный воздух в камере сгорания УКСТ;
  • предельное (ограничивающее) регулирование температуры газов перед турбиной и давления воздуха за центробежным нагнетателем;
  • управление регулирующим (дозирующим) топливным клапаном, регулирующим клапаном первичного воздуха на УКСТ, АПК, разгонным электродвигателем, клапанами запальной и дежурной горелок, маслонасосами, стопорным клапаном;
  • выдача аварийного сигнала при превышении предельно допустимой частоты вращения турбокомпрессора;
  • сохранение работоспособности системы при неисправности датчиков или информационных каналов связи;
  • архивирование параметров, задействованных в системе, для последующего анализа;
  • интеграция с АСУТП по цифровому каналу связи в объeме всех сигналов, задействованных в системе.
Привод установки заменен современным электродвигателем с частотным регулированием. В качестве разгонного электродвигателя турбины ГТТ-3М предлагается использовать асинхронный двигатель Siemens либо ABB мощностью 800 кВт с подшипниками скольжения или подшипниками качения (по выбору заказчика). Все критические скорости двигателя находятся выше его номинальной частоты вращения.
После завершения разгона турбины обеспечивается синхронный перевод питания двигателя с преобразователя частоты на сеть с последующим выводом преобразователя частоты, который может быть использован для возможного запуска другой турбины (в случае необходимости).
Функциональные возможности преобразователя частоты, в частности, включают:
  • встроенную цифровую защиту трансформатора, преобразователя и двигателя (защита от перенапряжений со стороны сети, защита от коротких замыканий, защита от обрыва фазы, защита от перегрузки, токовая отсечка, защита от небаланса фаз, защита от тепловой перегрузки);
  • функцию подхвата вращающегося двигателя;
  • конфигурируемую цифровую индикацию скорости, токов, напряжений и т.д.;
  • встроенные журналы событий, неисправностей и аварий;
  • панель управления с цифровой индикацией;
  • возможность работы при отсутствии питающего напряжения в течение 5 периодов входного напряжения;
  • функцию прохода критической скорости.
Газотурбинная установка ГТТ-3М поставляется в комплекте с термопреобразователями сопротивления и датчиками вибрации на корпусах подшипников турбокомпрессора, нагнетателя, редуктора и электродвигателя, а также с датчиком осевого сдвига ротора турбокомпрессора.
Все сигналы от указанных датчиков заводятся в контроллер системы регулирования и управления.
В конструкции поставляемой сегодня газотурбинной установки ГТТ-3М учтен опыт эксплуатации этих газотурбинных установок и внесены существенные изменения, улучшающие безопасность и эксплуатационные характеристики установки.
Среди наиболее значимых конструктивных улучшений можно выделить следующие:
  • для предотвращения раскрытия горизонтального разъема впускной вставки и прорыва горячих газов
    в корпусе турбины установлена впускная вставка новой конструкции – литая из жаропрочной стали с затягивающимся горизонтальным разъемом;
  • разнесенная маслосистема заменена выполненной
    в виде отдельного блока;
  • новая универсальная камера сгорания турбины УКСТ имеет улучшенные экологические показатели (малотоксичная) и увеличенный ресурс работы;
  • усовершенствована изоляция корпуса турбины, в которой применены современные термостойкие материалы;
  • маслобак, трубопроводы, масло- и воздухоохладители выполнены из коррозионно-стойкой стали.
Применение новой электропневматической системы регулирования и частотно регулируемого привода позволяет исключить человеческий фактор при пусках турбины, что традиционно является основной причиной перегрева и последующего коробления корпуса турбокомпрессора. Сохранение заводской геометрии корпуса является залогом снижения затрат на ремонтные работы (по сравнению с действующими установками ГТТ-3М) и увеличивает эксплуатационный ресурс оборудования при сохранении надежности работы установки в целом.
СХОЖИЕ СТАТЬИБОЛЬШЕ ОТ АВТОРА