Монтаж газотурбинного двигателя в цехе №5 ОАО «Невинномысский Азот»

Автор: А.И. Павлюк (ООО «НевРСС»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2014

Газотурбинная установка ГТУ-8 используется в качестве источника сжатого воздуха по производству азотной кислоты УКЛ-7 и предназначена для подачи сжатого воздуха в технологический процесс получения неконцентрированной азотной кислоты и рекуперации энергии давления и теплоты хвостовых газов. Основными потребителями ГТУ-8 в составе агрегата УКЛ-7 являются объекты химической промышленности.

Установка ГТУ-8 устанавливается на место ГТТ-3М с минимальными доработками.

Основные преимущества ГТУ-8:

  • полная комплектность поставки (газотурбинный двигатель с камерой сгорания, электростартер, топливно-регулирующая аппаратура во взрывобезопасном исполнении, маслостанция, система автоматического управления и межблочные кабельные сети);
  • подача постоянного (заданного оператором) массового расхода воздуха в агрегат УКЛ-7 за счет изменения частоты вращения компрессора при изменении температуры атмосферного воздуха, что облегчает управление агрегатом и дает значительную экономию топлива при низких температурах атмосферного воздуха;
  • поддержание оптимального соотношения газ–воздух (+3–5% номинального), подачу в смеситель жаровой трубы только нитрозного газа с минимальным содержанием кислорода, что позволяет увеличить количество воздуха, подаваемого в агрегат и снизить концентрацию СО и NОх до уровня погрешности измерения;
  • наличие автономного аккумулятора масла и аккумулятора питания САУ, что дает возможность обеспечить нормальную остановку ГТУ-8 при любых аварийных ситуациях;
  • управление всеми приводами (в том числе стартером и электромаслонасосом) осуществляется с помощью преобразователей частоты, в результате чего увеличивается ресурс их работы и уменьшается расход электроэнергии;
  • возможность проведения капитальных ремонтов в специализированных мастерских, а не в машинном зале УКЛ-7. Масса собранного газотурбинного двигателя составляет 5 т;
  • возможность замены вышедшего из строя газотурбинного двигателя резервным двигателем без доработки коммуникаций турбоблока и внешней обвязки.
Газотурбинный двигатель ГТУ-8
Газотурбинный двигатель ГТУ-8

В цехе №5 ОАО «Невинномысский Азот» в составе агрегатов УКЛ-7 №2 (2004 г.) и УКЛ-7 №4 (2011 г.) эксплуатируются ГТУ-8 зав. №1 и №3, изготовленные ОАО «ИПП «Энергия» (г. Кривой Рог) по договору с АО «Алвиго» (г. Таллин) в 2004 и 2011 гг. Газотурбинная установкаГТУ-8 установлена взамен выработавших ресурс установок ГТТ-3М и имеет более высокие технико-экономические показатели и эксплуатационную надежность.

Основным дефектом ГТУ-8 зав. №1 была поломка рабочей лопатки компрессора и соответственно выход из строя проточной части компрессора в результате перегрева тела лопатки горячим воздухом после ряда аварийных остановок УКЛ-7. Авария произошла при наработке 4000 ч.

Основным дефектом ГТУ-8 зав. №3 была поломка рабочей лопатки 3-й ступени турбины при наработке 3000 ч.

ООО «НевРСС» с 2010 г. по лицензионному договору с АО «Алвиго» осуществляет изготовление, техническое обслуживание и ремонт находящихся в экспуатации ГТУ-8.

В 2011 г. в ООО «НевРСС» был выполнен капитальный ремонт ГТУ-8 зав. №1. На время капитального ремонтаГТУ-8 имела наработку 35 000 ч после восстановительного ремонта в 2005 г.

Результаты дефектации показали, что износ и загрязнения проточной части компрессора и турбины отсутствуют. Подшипники скольжения по рабочей поверхности тоже не имеют износа. Слабым местом колодок опорных подшипников оказалась малая площадь опорных поверхностей сферических пятаков. В настоящее время ГТУ-8 в составе УКЛ-7 №2 имеет наработку 50 000 ч.

При изготовлении ГТУ-8 в ООО «НевРСС» с учетом опыта эксплуатации и ремонта установки ее конструкция была доработана.

Так, была произведена частичная замена типа уплотнения статорной части компрессора. Изменены число и размеры тепловых зазоров спрямляющих аппаратов, что исключило их деформацию при перегреве в случае нештатной аварийной остановки. Уменьшение числа клапанов стравливания воздуха при запуске (с четырех до двух) сократило перетечки воздуха из силового корпуса в проточную часть и облегчило запуск ГТУ-8, так как снизилось количество выбрасываемого воздуха. Введен клапан сброса воздуха на выходе из компрессора при аварийных остановках УКЛ-7. Это исключило попадание горячего воздуха в компрессор низкого давления, что приводило к выходу из строя лопаток и корпусов компрессора. Увеличение в 5 раз площади сопряжения бронзовых вкладышей подшипников с опорными пятаками исключило возможность увеличения зазоров по опорным подшипникам при повышенной вибрации. Уменьшениепотерь давления воздуха на выходе из силового корпуса газотурбинного двигателя позволило снизить суммарную потерю давления воздуха по тракту технологии УКЛ-7 и соответственно увеличить расход воздуха до 10%.

Данные мероприятия позволили достичь расчетного КПД компрессора 84% и выйти на запланированные требованиями технических условий параметры воздуха и расхода топливного газа.

Были также разработаны и внедрены мероприятия, направленные на повышение технологичности изготовления и надежности эксплуатации ГТУ-8. Так, стыковка ротора компрессора и турбины без лабиринтного диска позволила снизить трудоемкость этой операции и уменьшить суммарную массу ротора на 50 кг. Повышены требования к технологии сборки компенсаторов опорного венца (задней опоры ГТД), что позволило избавиться от смещения оси задней опоры в процессе эксплуатации, приводившей к выходу из строя рабочих лопаток 3-й ступени турбины. Введение дополнительного тормозного устройства стартера и подшипников скольжения в стартерной промопоре взамен опоры в виде «беличьего колеса», вызывавшей колебания и закрытие кулачковой муфты во время запуска ГТУ-8, позволило исключить размыкание стартерной цепи и выход из строя муфты во время запуска ГТУ-8.

В целях повышения безопасности эксплуатации разработана документация и изготовлена топливная аппаратура во взрывобезопасном исполнении. Взрывобезопасность расположенных во взрывоопасной зоне блока топливных агрегатов ГТУ-8 обеспечивается видом взрывозащиты d (взрывонепроницаемая оболочка) поГОСТ Р 52350.1.

С мая 2014 г. ГТУ-8 по ТУ 3643-001-79994564–2014, изготовленная в ООО «НевРСС», эксплуатируется в составе УКЛ-7 №3 цеха №5 ОАО «Невинномысский Азот».

Благодаря возможности увеличения частоты вращения ротора до 8400 об/мин появилась возможность получения необходимого расхода воздуха при повышении температуры атмосферного воздуха до 30°С.

В настоящее время наработка ГТУ-8 зав. №1 составила 4000 ч.

Монтаж газотурбинного двигателя в цехе №5 ОАО «Невинномысский Азот»
Монтаж газотурбинного двигателя в цехе №5 ОАО «Невинномысский Азот»

Параметры ГТУ-8 зав. №1 ООО «НевРСС» в составе УКЛ-7 №3 цеха №5 (по состоянию на 29.05.2014 г.)

Параметры Режим работы
Приведенная частота вращения, об/мин 8000 8150 8300
Действительная  частота
вращения, об/мин 7990 8131 8284
Вибрация передней
опоры осевая, мм/с 2,25 2,41 2,54
Вибрация передней
опоры горизонтальная, мм/с 4 3,6 3,2
Вибрация задней опоры горизонтальная,  мм/с 4,15 4,5 3,8
Температура воздуха, °С:
перед компрессором 19 19 19
за компрессором 283 286 291
Давление воздуха, кПа:
во входном устройстве –1,35 –1,4 –1,44
перед компрессором –9,58 –9,58 –9,56
за компрессором, МПа 0,626 0,644 0,660
Коэффициент  запаса  устойчивости компрессора 1,16 1,154 1,18
Температура газов, °С:      
в жаровой трубе 1 625 630 635
в жаровой трубе 2 649 651 659
Температура хвостовых газов, °С 275 275 275
Перепад давления на технологии, МПа 0,167 0,172 0,176
Расход, кг/ч:      
воздуха на горение 16300 16700 17000
топливного газа, кг/ч 794 822 848
Температура газов за турбиной, °С 305 303 303
Температура масла, °С:
на входе 30,4 30,4 30,4
на сливе из переднего отсека 52,7 53,2 53,9
на сливе из заднего отсека 63,8 64,5 65,1
Расход воздуха, м3/ч:      
в смеситель 52600 54050 55200
в продувочную колонну 4500 4600 4700
в линию нитрозных газов 7000 7100 7100
Суммарный 64 100 65 750 67 000
Расход  аммиака, м3/ч 6 330 6 460 6 620

Начиная с пятого изделия, ГТУ-8 будет комплектоваться маслостанцией, имеющей новую компоновку.

Преимущества маслостанции новой компоновки:

  • бесперебойное обеспечение маслом опор газотурбинного двигателя до полной остановки ротора и охлаждения цапфы диска 3-й ступени турбины при аварийном отключении питания маслонасосов (25 мин.);
  • увеличение объема маслобака позволяет продлить срок работы ГТУ-8 без дозаправки масла;
  • изготовление маслобака из коррозионно-стойкой стали повышает его срок службы и позволяет при необходимости доработать его во время эксплуатации;
  • размещение агрегатов и трубопроводов выше верхнего уровня рамы облегчает их монтаж и демонтаж для ремонта; рама поддон предотвращает разлив масла в помещении в случае возникновения протечек на стыках трубопроводов и агрегатов маслостанции;
  • размещение КИП с одной стороны на боковой стенке облегчает монтаж кабельных трасс и обслуживание приборов и клеммного ящика.

В настоящее время в производстве находятся шестьГТУ-8. Ведутся работы по дальнейшей модернизации установки.

С технологической точки зрения основному изменению подвергаются конструкции корпусов компрессора и осуществляется перенос механизма поворота лопаток с разъемного корпуса высокого давления на передний корпус, что позволит обойтись без его трудоемкой разборки и облегчит изготовление корпуса КВД, так как он станет короче.

Для изготовления корпусов компрессора взамен применяемых в настоящее время громоздких поковок, изготавливаемых по кооперации, планируется применить обечайки, согнутые из листа. Для повышения эксплуатационных показателей готовятся к внедрению следующие мероприятия:

  • изменение конфигурации рамы, благодаря чему уменьшится ее масса, и ее можно будет разместить на существующих опорах ГТТ-3М без их доработки;
  • подвод масла и воздуха и слив масла будет происходить через корпус промежуточной опоры привода стартера, что позволит избавиться от маслопроводов в районе ГТД и снизить протяженность трубопроводов;
  • покрытие наружных поверхностей силового корпуса и камеры сгорания краской ТЕПЛОС-Топ толщиной 2 мм для снижения тепловыделения;
  • теплоизоляционный кожух останется только над силовым корпусом и камерой сгорания. Благодаря одинаковой температуре наружных поверхностей ГТУ-8, находящихся под кожухом, нет необходимости поддерживать температуру под кожухом 60°С (достаточно вентилировать пространство под кожухом, а не подавать большое количество охлаждаемого воздуха).

В результате снизится температура воздуха в цехе, а, следовательно, не будет необходимости в интенсивной вентиляции.

  • вынос переднего корпуса газотурбинного двигателя из укрытия и перенос масляных и воздушных коммуникаций, что позволит заменить гибкие опоры опорами жесткой конструкции, в результате чего уменьшится воздействие внешних трубопроводов на газотурбинный двигатель.