Предложен новый способ запуска и работы газоперекачивающего агрегата – ГПА, который позволит повысить его экономичность
ГПА предназначен для перекачки природного газа. Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 70 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана.
ГПА (рис. 1 …5) содержит газотурбинный двигатель 1, входное устройство 2, выхлопное устройство 3, свободную турбину 4, содержащую в свою очередь корпус 5, сопловой аппарат 6 и рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8. Рабочее колесо 7 валом 9 соединено с нагнетающим компрессором 10, содержащим входной корпус 11, выходной корпус 12 и центробежное рабочее колесо 13. К входному корпусу 11 присоединена входная газовая труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15. (Средства очистки и охлаждения природного газа на рис. 1…5 не показаны.)
Газотурбинный двигатель 1 содержит воздушный тракт 16, содержащий, в свою очередь воздухозаборник 17, компрессор 18 и полость 19 за компрессором 18 и перед камерой сгорания 20. Воздушный тракт 16 включает также и входное устройство 2, не относящееся к конструкции газотурбинного двигателя 1.
За камерой сгорания 20 установлена турбина 21 и выполнен газовый тракт 22, соединяющий выход из камеры сгорания 20 с входом в свободную турбину 4.
Компрессор 18 содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат 23 и рабочее колесо 24 (рис. 1). Турбина 21 содержит, по меньшей мере, одну ступень. Каждая ступень компрессора 18 содержит сопловой аппарат 25 и рабочее колесо 26
Камера сгорания 20 содержит жаровую трубу 27, форсуночную плиту 28 с форсунками 29 и с коллектором 30 перед форсуночной плитой 28, предназначенным для подачи топливного газа к форсункам 29 через специальные каналы в форсуночной плите 28.
Более подробно конструкция камеры сгорания 20 приведена далее со ссылкой на фиг. 1 -3.

Вал 31, соединяет рабочие колеса 24 компрессора 18 и рабочее колесо 26 турбины 21 и установлен на опорах 32 и 33. Опор может быть более двух.
Система подачи топливного газа содержит топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой – с коллектором 30 камеры сгорания 20. В топливопроводе 34 установлены регулятор расхода 35 и клапан 36.
Таким образом, питание камеры сгорания 20 ГПА осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом.
Первой особенностью предложенного ГПА является наличие активатора топливного газа 37, установленного в топливопроводе 34. (рис. 1).

Возможны различные варианты конструкции этого активатора (рис. 2 и 3).

На рис. 2 приведен магнитный активатор топливного газа 37. Он содержит диэлектрический корпус 38 и постоянные магниты 39. Постоянные магниты 39 могут быть установлены или внутри диэлектрического корпуса 38 или вне него.

На рис. 3 приведена схема электрического активатора топливного газа 37, который содержит диэлектрический корпус 38 и два электрода 40 и 41, подсоединенные высоковольтными проводами 42 к источнику высокого напряжения 43, который низковольтными проводами 44 подсоединен к электрогенератору 45 или к другому источнику энергии, например, аккумулятору 46 или линии электропередачи 47. Электроды 40 и 41 также могут быть установлены или внутри диэлектрического корпуса 38 или вне него. Этот же активатор может содержать дополнительно постоянные магниты 39.

Активация топлива позволяет изменить его химический состав в сторону преобладания большего содержания метана и водорода. Учитывая, что такая смесь будет обладать большей теплотворной способностью мощность ГТА и его КПД резко возрастут.
Первостепенной целью активации топлива является повышение калорийности топлива (углеводородного газа), в нашем случае это метан. После прохождения метана через электромагнитный активатор- его состав на выходе активатора изменяется и полученный газ становится более калорийным — у нас должны получится молекулы метана (13250 ккал/кг), углерода и водорода (33800 ккал/кг), помимо всего прочего молекулярная связь оставшихся молекул метана частично будет ослаблена. После электромагнитного активатора устанавливается мощный магнит который позволит дополнительно разорвать молекулярные связи в ослабленных молекулах метана и увеличить . содержание в нем углевоводородных радикалов и водорода После прохождения дозатора газа -полученное новое топливо попадает в камеру сгорания, где происходит процесс сгорания. Одновременно, активация входного воздуха — с образованием в нем озона О3 существенно повышает его окислительную способность и, значит обеспечивает повышение полноты сгорания метана в камере сгорания. При сгорании активированного газообразного топлива смешанного с активированным воздухом в камере возникает более полное сгорание ТВС и возникает повышение давления на лопатки выходной турбины. При более полном сгорании ТВС в отходящих газах образуется угарный газ, диоксид азота (ядовитый газ), пары воды, после чего вода входит в реакцию с диоксидом азота и нейтрализует его, в результате получаем снижение расхода топливного газа и существенное снижение выбросов диоксида азота.
Подобных подходов к активации топливного газа (метану) еще не применяли, в газоперекачивающих станциях -единственное что из метана в промышленных объемах получают водород и кристаллы твердого углерода. В Газпроме же снижение выбросов диоксида азота пытаются снизить лишь низко эмиссионными камерами сгорания (более тщательное смешение воздуха и метана). Электромагнитный активатор будет служить дополнительным источником снижения вредных выбросов в атмосферу.
Данный активатор можно будет применять на любом газотурбинном двигателе, единственное, что может различаться мощность активатора, в зависимости от количества потребляемого топлива (мощность и КПД газогенератора- основы ГТД).
Источник высокого напряжения 43 рассчитан на 20…30 кВ.
Второй особенностью предложенного ГПА является наличие активатора воздуха 48, установленного в воздушном тракте 16 или во входном устройстве 2 (рис. 1). Активатор воздуха 48 содержит два электрода 49 и 50. При этом возможна его установка в любом месте воздушного тракта 16 или вне двигателя (рис 4). Установка активатора воздуха 48 вне газотурбинного двигателя 1 позволит выполнить доработку ГПА собственными силами, не прибегая к услугам двигателестроительных фирм.
Активатор воздуха 48 содержит два электрода 49 и 50, между которыми возникает электрическое поле.
Вариант ГПА (рис. 4) с выносным активатором дополнительно содержит трубопровод отбора воздуха 51, присоединенный к выходу из компрессора 18, присоединенный к активатору воздуха 48, выход из которого трубопроводом 52 соединен с камерой сгорания 22.
Конструкция выносного активатора воздуха 48 приведена на рис. 5. Активатор воздуха 48 содержит цилиндрический корпус 53 из диэлектрического материала, к которому присоединены входной и выходной патрубки 54 и 55. В камере 56 внутри цилиндрического корпуса 53 на держателях 57 и 58 установлены электроды 49 и 50.

РАБОТА ГПА
При работе газоперекачивающего агрегата (рис. 1 …5) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на рис. 1 …5 стартер не показан).
Потом открывают клапан 36 (рис. 1) и топливный газ из выходного трубопровода 15 по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 подается в коллектор 30 и далее в форсунки 29 камеры сгорания 20. Активатор топливного газа 37 включают после запуска ГПА через 10.. 20 сек. В противном случа произойдет самовозгорания топлива с остаками воздуза в топливной системе и разрушение активатора 37 и топливных коллекторов.
Проходя активатор топливного газа 37, происходит активация топливного газа, т. е изменяется его химический состав в сторону повышения содержания более легких ингредиентов, в том числе водорода.
Одновременно воздух из атмосферы поступает в воздушный тракт 16 и проходит через активатор воздуха 48, в котором образуются ионы и/или озон в зависимости от напряжения на выходе источника высокого напряжения 43. Ионы и/или озон образующегося за счет разрядов между электродами 49 и 50 высокого напряжения, подаваемого по высоковольтным проводам 42 на активатор воздуха 48. Происходит актитвация воздуха, т. е. его ионизация или озонирование. Озон имеет лучшие по сравнению с кислородом окислительные свойства и процесс окисления в камере сгорания идет более активно, полнота сгорания топливного газа увеличивается.
При наличии выносного активатора воздуха 48 через него проходит часть воздуха, потребляемого ГТД 1 (рис. 4 и 5). Но эта схема позволит отказаться от доработки камеры сгорания.

В камеру сгорания 20 поступает смесь воздуха с ионизированным воздухом (и/или озоном) и топливо. Учитываю, что ионизированный воздух и озон обладает более высокими окислительными свойствами, топливо сгорает полнее, при сгорании образуется более высокая температура продуктов сгорания. Это увеличивает его энергетический потенциал на турбине 21 и на свободной турбине 4. Учитывая, что температура продуктов сгорания на входе в турбину 21 всегда имеет предельное проектное значение можно снизить расход топлива для сохранения заданной температуры.
Одновременное применение всех мероприятий (активатора топливного газа и активатора воздуха) приведет к экономии топлива на 10…20 %. Использование активаторов уменьшит эмиссию вредных веществ в атмосферу при работе ГПА за счет интенсификации процесса горения в камере сгорания ГПА.

Авторы статьи: академик Дудышев Валерий Дмитриевич

Патентный поверенный РФ , рег № 466 Болотин Николай Борисович