3.2. Схемы и принцип работы газотурбинных установок. Газотурбинная установка принцип работы3.2. Схемы и принцип работы газотурбинных установокТермин турбина происходит от латинского слова turbineus - вихреобразный, или turbo - волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу силовой турбины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциальной энергии - энергии сгоревшего топлива, подведенного к камере сгорания, в поток воздуха. В основе современных представлений о превращении теплоты в работу в двигателях внутреннего сгорания лежат два важнейших положения термодинамики: во-первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который без затраты какой-либо энергии может производить механическую работу (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики). Поэтому непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды - рабочего тела и, по меньшей мере, двух тепловых источников: источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части ее в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованной в двигателе теплоты. Следовательно, каждый двигатель внутреннего сгорания должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Так как процесс превращения теплоты в работу происходит непрерывно, то необходимо непрерывно, наряду с расширением, осуществлять процесс сжатия рабочего тела, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была естественно меньше работы расширения. Получаемая полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела. Характерной особенностью осуществления круговых процессов в газотурбинных двигателях является то, что все основные процессы цикла - сжатие, подвод теплоты, расширение непрерывно осуществляются в различных элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, газовая турбина), расположенных последовательно по ходу рабочего тела. В зависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по различным схемам (рис. 3.1). ГТУ простейшего цикла в механическом отношении могут быть выполнены как одновальные (рис. 3.1,а), так и двухвальные (рис. 3.1,б). В одновальных установках все элементы газоперекачивающего агрегата (ГПА) - осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе все они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения, одновальная ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ осуществить оптимальную работу ГПА с приводом от одновальной ГТУ без перепуска и дросселирования газа или без существенного повышения температуры газа перед ТВД будет уже трудно. Все это привело к тому, что в настоящее время одновальные ГТУ для перекачки газа на газопроводах не используются. В установках с разрезным валом, или с независимой силовой турбиной, где вал полезной мощности выделен от турбокомпрессора, нет такой однозначной связи и нагнетатель может практически иметь любую частоту вращения, ему необходимую. Следовательно, у двухвальной ГТУ каждому режиму работы системы ГТУ - нагнетатель, т.е. требованию = idem, соответствует ряд значений по компрессору в границах изменения температуры наружного воздуха (при заданной температуре газов перед турбиной) или наоборот. При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала, температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины. Это значит, что полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению КПД силовой турбины. Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного. Благодаря этим особенностям, двухвальные установки с регенерацией (3.1в) и без регенерации (3.1б) теплоты отходящих газов и получили широкое распространение на газопроводах.
Рис. 3.1. (а,б) - Простейшие схемы ГТУ открытого типа; (в) - ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов; (г) - ГТУ простого цикла с двумя компрессорами; (д) - ГТУ с промежуточным подводом теплоты при сжатии и промежуточным отводом теплоты при расширении с регенерацией теплоты: К - осевой компрессор; КС - камера сгорания; Р - регенератор, ТВД - турбина высокого давлеия; ТНД - турбина низкого давления; ТСД - турбина среднего давления; Н - нагнетатель; ПО - рекуператор (промежуточный холодильник) Рабочий процесс установки с регенерацией теплоты отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы фильтров (на схеме они не показаны) и сжатия в осевом компрессоре (К) поступает в воздухоподогреватель (регенератор) (Р), где за счет использования теплоты отходящих из турбины газов его температура повышается на 200-250 °С. После регенератора сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подводится топливный газ. В результате сжигания топлива температура образовавшихся продуктов сгорания перед газовой турбиной высокого давления (ТВД) доводится до величины, обусловленной жаростойкостью дисков и лопаток турбины. После расширения в газовой турбине продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, отдавая часть теплоты воздуху, идущему из осевого компрессора в камеру сгорания, и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Сверху, рис. 3.1в показаны процессы, характеризующие образование цикла ГТУ в координатах и . На этих графиках процесс 1-2 - характеризует сжатие в осевом компрессоре; 2-3 - процесс подвода теплоты в регенераторе и камере сгорания; 3-4 - процесс расширения рабочего тела в газовой турбине; 4-1- процесс выхлопа рабочего тела в атмосферу. Здесь же приведен цикл ГТУ и в координатах . Линиями 1-2’ и 3-4’ отмечены соответственно реальные процессы сжатия и расширения рабочего тела в цикле, штриховыми 1-2 и 3-4 - процессы сжатия и расширения в идеальном цикле ГТУ. Коэффициент полезного действия установок с регенерацией теплоты отходящих газов при существующих параметрах цикла может достигать величины 32-35%, что во всех случаях при тех же параметрах цикла на 4-5% больше, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов. В настоящее время около тысячи агрегатов, в основном мощностью 6 и 10 МВт, эксплуатируются в ОАО "Газпром" с пластинчатыми регенераторами теплоты (рис. 3.2). Однако необходимо отметить, что эти пластинчатые регенераторы имеют ряд конструктивных и технологических недоработок, которые после нескольких десятков пусков и остановок ГТУ начинают сказываться на потере герметичности регенератора. В результате регенератор теряет свои показатели, падает степень регенерации, а следовательно и ухудшаются характеристики ГТУ. В настоящий момент на смену им приходят трубчатые и термопластинчатые регенераторы. Регенераторы экономически эффективно устанавливать на компрессорных станциях, где загрузка по времени работы составляет не менее 80 %. Чисто конструктивно такие ГТУ имеют низкую степень сжатия за осевым компрессором и вследствие этого получается значительная разница температуры воздуха за осевым компрессором и температуры отработанных газов, что обеспечивает высокий коэффициент регенерации теплоты в ГТУ.
Рис. 3.2. Воздухоподогреватель (регенератор) пластинчатого типа: 1 - теплообменные поверхности; 2 - ребра; 3 - коллектор; 4 - опора Тем не менее, регенерация теплоты отходящих газов с использованием герметичных регенераторов (в частности, трубчатых) остается одним из наиболее доступных и термодинамически эффективных способов повышения экономичности ГТУ в эксплуатационных условиях, когда одним из главных направлений по дальнейшему совершенствованию газотранспортной системы страны является разработка и использование ресурсоэнергосберегающих технологий при транспорте природных газов. О целесообразности использования регенеративных ГТУ на КС свидетельствует и тот факт, что в последние годы отмечены случаи перевода ряда эксплуатируемых безрегенеративных установок типов ГТК-10И и ГТК-25И на работу по регенеративному циклу с использованием для этого регенераторов трубчатого типа (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Воздухоподогреватель (регенератор) трубчатого типа: 1 - трубчатый пучок; 2 - трубная доска; 3 - разделительная трубная доска; 4 - камера продуктов сгорания; 5 - коллектор; 6 - опора Вопрос о целесообразности применения регенеративных ГТУ на газопроводах должен решаться на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах с учетом накопленного опыта эксплуатации установок подобного типа и для каждой конкретной станции индивидуально, исходя из цены на энергоносители. На рис. 3.1г приведена схема ГТУ простого цикла с двумя осевыми компрессорами без промежуточного охлаждения воздуха между ними и независимой силовой турбиной для привода нагнетателя. Установки подобных схем, созданные по типу авиационных ГТУ, позволяют получить в цикле высокую степень сжатия (до 18-25) и обеспечить оптимальную работу компрессоров на пусковых и переменных режимах. Высокая степень сжатия при относительно высоких температурах продуктов сгорания перед турбиной, позволяет получить в таких установках КПД на уровне 33-35% и выше. Компактность таких установок достигается размещением обоих компрессоров, камер сгорания и газовых турбин в одном корпусе. Привод компрессоров низкого и высокого давления осуществляется соответственно от турбины среднего и высокого давления, используя схему "вал в валу". Опыт эксплуатации газоперекачивающих агрегатов типа ГТН-25-1, производства НЗЛ, который реализовал этот цикл с двумя осевыми компрессорами, показал, что агрегаты данной конструкции имеют очень низкую надежность и большие затраты при проведении ремонта. Газотурбинные установки более сложных теплотехнических схем (рис. 3.1д) - с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия, промежуточным подводом теплоты в процессе расширения и с регенератором, при существующих достижениях в области компрессоростроения и турбостроения позволяют достичь КПД установки на уровне 43-47%. Цикл такого двигателя в координатах приведен на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Цикл ГТУ с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия По линии 1-2 здесь осуществляется сжатие воздуха в компрессоре К1 с подводом к нему работы () от турбины среднего давления (см. рис. 3.1д), по линии 2-3 осуществляется отвод теплоты от воздуха в промежуточном холодильнике (ПО). По линии 3-4 осуществляется дальнейшее сжатие воздуха в компрессоре высокого давления (К), с подводом к нему работы () от турбины высокого давления. По линии 4-6 осуществляется подвод теплоты, вначале в регенераторе на участке 4-5, а затем в камере сгорания высокого давления (КС). После камеры сгорания (КС), продукты сгорания, расширяясь в ТВД, совершают работу (), идущую на привод компрессора (К). После ТВД продукты сгорания направляются в камеру сгорания (КС), где их температура за счет дополнительного подвода теплоты на линии 7-8 вновь доводится до уровня температуры, равной температуре перед ТВД. По линии 8-9 происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания, вначале в турбине среднего давления и далее в силовой турбине с получением работы. Работа турбины среднего давления идет на привод компрессора (К), работа силовой турбины - на привод полезной нагрузки. Рассмотренный трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет получить не только высокий КПД на расчетной нагрузке, но и практически удержать его при нагрузке до 50-60% от номинальной, имея максимум КПД в интервале 80-90% номинальной мощности. При кажущейся сложности такой трехвальный двигатель может быть выполнен весьма компактным. Повышение экономичности ГПА с газотурбинным приводом за счет рационального использования теплоты отходящих газов, можно достаточно хорошо осуществить путем использования установок так называемого парогазового цикла (рис. 3.5), сочетающих в себе цикл газовой турбины на уровне высоких температур рабочего тела и цикл паровой турбины, работающий на отходящих продуктах сгорания ГТУ. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где, расширяясь, вырабатывает полезную работу, идущую на привод нагнетателя или электрогенератора. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется, и полученная жидкость насосом вновь направляется в котел-утилизатор, замыкая цикл силовой установки. Схема цикла парогазовой установки в координатах приведена на рис. 3.6.
Рис. 3.5. Принципиальная схема ПГУ с котлом - утилизатором: ОК - осевой компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; Н - нагнетатель; КУ - котел-утилизатор; ПТ - паровая турбина; ЭЛ - электрогенератор; К - конденсатор; КН - конденсатный насос; Д - деаэратор; ПН - питательный насос
Рис. 3.6. Схема цикла парогазовой установки в координатах На этой схеме в верхней её части показан цикл ГТУ, в нижней части - цикл паросиловой установки. На линии 1-2 цикла ГТУ осуществляется процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре, на линии 2-3 - подвод теплоты в регенераторе и камере сгорания, на линии 3-4 - процесс расширения продуктов сгорания в турбине, на участке 4-5 линии 4-1 - осуществляется отвод теплоты от продуктов сгорания, прошедших газовую турбину к воде и пару в котле-утилизаторе паросиловой установки. Подвод теплоты к воде в котле-утилизаторе идет на линии 1’-2’, где она нагревается до температуры кипения. Дело в том, что температура воды на входе в котел-утилизатор практически равна ее температуре на выходе из конденсатора и лежит значительно ниже температуры кипения, соответствующей давлению воды () на выходе из насоса. Поэтому в паровом котле вода вначале нагревается при постоянном давлении () до температуры кипения по линии 1’-2’ и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар (линия 2’-3’). Полученный пар поступает в пароперегреватель, который обычно составляет одно целое с паровым котлом, перегревается там (линия 3’-4’) до нужной температуры (t) и затем поступает в паровую турбину, где расширяется по линии 4’-5’. На линии 5’-1’ пар конденсируется в конденсаторе и вода насосом вновь подается в котел-утилизатор. Цикл замыкается. Установки подобных схем находят применение в стационарной энергетике, отдельные образы используются на газопроводах Германии. В 1995 г. была принята в эксплуатацию первая опытно-промышленная парогазовая установка в России на КС "Грязовец" на базе ГТН-25 и паротурбинной установки мощностью 10 МВт. В настоящий момент разрабатывается большой ряд установок парогазового цикла, мощностью от 0,5 до 6 МВт, которые будут применяться на компрессорных станциях для выработки электроэнергии. КПД схем подобных установок может достигать величины 45-50%. В значительной степени это зависит от значения мощности, которая при этом вырабатывается паровой турбиной. Однако к недостаткам этой схемы следует отнести определенное удорожание энергопривода КС, усложнение эксплуатации подобных установок на газопроводах, особенно в суровых природно-климатических условиях, необходимость водоподготовки и т.д. Все это позволяет утверждать, что эти установки не выйдут из стадии использования на КС отдельных опытно-промышленных образцов. Предпочтение в эксплуатации будет отдаваться главным образом двухвальным установкам простейших схем с регенерацией или без регенерации теплоты отходящих газов. studfiles.net 3.2. Схемы и принцип работы газотурбинных установокТермин турбина происходит от латинского слова turbineus - вихреобразный, или turbo - волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу силовой турбины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциальной энергии - энергии сгоревшего топлива, подведенного к камере сгорания, в поток воздуха. В основе современных представлений о превращении теплоты в работу в двигателях внутреннего сгорания лежат два важнейших положения термодинамики: во-первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который без затраты какой-либо энергии может производить механическую работу (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики). Поэтому непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды - рабочего тела и, по меньшей мере, двух тепловых источников: источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части ее в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованной в двигателе теплоты. Следовательно, каждый двигатель внутреннего сгорания должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Так как процесс превращения теплоты в работу происходит непрерывно, то необходимо непрерывно, наряду с расширением, осуществлять процесс сжатия рабочего тела, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была естественно меньше работы расширения. Получаемая полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела. Характерной особенностью осуществления круговых процессов в газотурбинных двигателях является то, что все основные процессы цикла - сжатие, подвод теплоты, расширение непрерывно осуществляются в различных элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, газовая турбина), расположенных последовательно по ходу рабочего тела. В зависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по различным схемам (рис. 3.1). ГТУ простейшего цикла в механическом отношении могут быть выполнены как одновальные (рис. 3.1,а), так и двухвальные (рис. 3.1,б). В одновальных установках все элементы газоперекачивающего агрегата (ГПА) - осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе все они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения, одновальная ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ осуществить оптимальную работу ГПА с приводом от одновальной ГТУ без перепуска и дросселирования газа или без существенного повышения температуры газа перед ТВД будет уже трудно. Все это привело к тому, что в настоящее время одновальные ГТУ для перекачки газа на газопроводах не используются. В установках с разрезным валом, или с независимой силовой турбиной, где вал полезной мощности выделен от турбокомпрессора, нет такой однозначной связи и нагнетатель может практически иметь любую частоту вращения, ему необходимую. Следовательно, у двухвальной ГТУ каждому режиму работы системы ГТУ - нагнетатель, т.е. требованию = idem, соответствует ряд значений по компрессору в границах изменения температуры наружного воздуха (при заданной температуре газов перед турбиной) или наоборот. При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала, температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины. Это значит, что полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению КПД силовой турбины. Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного. Благодаря этим особенностям, двухвальные установки с регенерацией (3.1в) и без регенерации (3.1б) теплоты отходящих газов и получили широкое распространение на газопроводах.
Рис. 3.1. (а,б) - Простейшие схемы ГТУ открытого типа; (в) - ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов; (г) - ГТУ простого цикла с двумя компрессорами; (д) - ГТУ с промежуточным подводом теплоты при сжатии и промежуточным отводом теплоты при расширении с регенерацией теплоты: К - осевой компрессор; КС - камера сгорания; Р - регенератор, ТВД - турбина высокого давлеия; ТНД - турбина низкого давления; ТСД - турбина среднего давления; Н - нагнетатель; ПО - рекуператор (промежуточный холодильник) Рабочий процесс установки с регенерацией теплоты отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы фильтров (на схеме они не показаны) и сжатия в осевом компрессоре (К) поступает в воздухоподогреватель (регенератор) (Р), где за счет использования теплоты отходящих из турбины газов его температура повышается на 200-250 °С. После регенератора сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подводится топливный газ. В результате сжигания топлива температура образовавшихся продуктов сгорания перед газовой турбиной высокого давления (ТВД) доводится до величины, обусловленной жаростойкостью дисков и лопаток турбины. После расширения в газовой турбине продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, отдавая часть теплоты воздуху, идущему из осевого компрессора в камеру сгорания, и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Сверху, рис. 3.1в показаны процессы, характеризующие образование цикла ГТУ в координатах и . На этих графиках процесс 1-2 - характеризует сжатие в осевом компрессоре; 2-3 - процесс подвода теплоты в регенераторе и камере сгорания; 3-4 - процесс расширения рабочего тела в газовой турбине; 4-1- процесс выхлопа рабочего тела в атмосферу. Здесь же приведен цикл ГТУ и в координатах . Линиями 1-2’ и 3-4’ отмечены соответственно реальные процессы сжатия и расширения рабочего тела в цикле, штриховыми 1-2 и 3-4 - процессы сжатия и расширения в идеальном цикле ГТУ. Коэффициент полезного действия установок с регенерацией теплоты отходящих газов при существующих параметрах цикла может достигать величины 32-35%, что во всех случаях при тех же параметрах цикла на 4-5% больше, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов. В настоящее время около тысячи агрегатов, в основном мощностью 6 и 10 МВт, эксплуатируются в ОАО "Газпром" с пластинчатыми регенераторами теплоты (рис. 3.2). Однако необходимо отметить, что эти пластинчатые регенераторы имеют ряд конструктивных и технологических недоработок, которые после нескольких десятков пусков и остановок ГТУ начинают сказываться на потере герметичности регенератора. В результате регенератор теряет свои показатели, падает степень регенерации, а следовательно и ухудшаются характеристики ГТУ. В настоящий момент на смену им приходят трубчатые и термопластинчатые регенераторы. Регенераторы экономически эффективно устанавливать на компрессорных станциях, где загрузка по времени работы составляет не менее 80 %. Чисто конструктивно такие ГТУ имеют низкую степень сжатия за осевым компрессором и вследствие этого получается значительная разница температуры воздуха за осевым компрессором и температуры отработанных газов, что обеспечивает высокий коэффициент регенерации теплоты в ГТУ.
Рис. 3.2. Воздухоподогреватель (регенератор) пластинчатого типа: 1 - теплообменные поверхности; 2 - ребра; 3 - коллектор; 4 - опора Тем не менее, регенерация теплоты отходящих газов с использованием герметичных регенераторов (в частности, трубчатых) остается одним из наиболее доступных и термодинамически эффективных способов повышения экономичности ГТУ в эксплуатационных условиях, когда одним из главных направлений по дальнейшему совершенствованию газотранспортной системы страны является разработка и использование ресурсоэнергосберегающих технологий при транспорте природных газов. О целесообразности использования регенеративных ГТУ на КС свидетельствует и тот факт, что в последние годы отмечены случаи перевода ряда эксплуатируемых безрегенеративных установок типов ГТК-10И и ГТК-25И на работу по регенеративному циклу с использованием для этого регенераторов трубчатого типа (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Воздухоподогреватель (регенератор) трубчатого типа: 1 - трубчатый пучок; 2 - трубная доска; 3 - разделительная трубная доска; 4 - камера продуктов сгорания; 5 - коллектор; 6 - опора Вопрос о целесообразности применения регенеративных ГТУ на газопроводах должен решаться на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах с учетом накопленного опыта эксплуатации установок подобного типа и для каждой конкретной станции индивидуально, исходя из цены на энергоносители. На рис. 3.1г приведена схема ГТУ простого цикла с двумя осевыми компрессорами без промежуточного охлаждения воздуха между ними и независимой силовой турбиной для привода нагнетателя. Установки подобных схем, созданные по типу авиационных ГТУ, позволяют получить в цикле высокую степень сжатия (до 18-25) и обеспечить оптимальную работу компрессоров на пусковых и переменных режимах. Высокая степень сжатия при относительно высоких температурах продуктов сгорания перед турбиной, позволяет получить в таких установках КПД на уровне 33-35% и выше. Компактность таких установок достигается размещением обоих компрессоров, камер сгорания и газовых турбин в одном корпусе. Привод компрессоров низкого и высокого давления осуществляется соответственно от турбины среднего и высокого давления, используя схему "вал в валу". Опыт эксплуатации газоперекачивающих агрегатов типа ГТН-25-1, производства НЗЛ, который реализовал этот цикл с двумя осевыми компрессорами, показал, что агрегаты данной конструкции имеют очень низкую надежность и большие затраты при проведении ремонта. Газотурбинные установки более сложных теплотехнических схем (рис. 3.1д) - с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия, промежуточным подводом теплоты в процессе расширения и с регенератором, при существующих достижениях в области компрессоростроения и турбостроения позволяют достичь КПД установки на уровне 43-47%. Цикл такого двигателя в координатах приведен на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Цикл ГТУ с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия и промежуточным подводом теплоты в процессе расширения По линии 1-2 здесь осуществляется сжатие воздуха в компрессоре К1 с подводом к нему работы () от турбины среднего давления (см. рис. 3.1д), по линии 2-3 осуществляется отвод теплоты от воздуха в промежуточном холодильнике (ПО). По линии 3-4 осуществляется дальнейшее сжатие воздуха в компрессоре высокого давления (К), с подводом к нему работы () от турбины высокого давления. По линии 4-6 осуществляется подвод теплоты, вначале в регенераторе на участке 4-5, а затем в камере сгорания высокого давления (КС). После камеры сгорания (КС), продукты сгорания, расширяясь в ТВД, совершают работу (), идущую на привод компрессора (К). После ТВД продукты сгорания направляются в камеру сгорания (КС), где их температура за счет дополнительного подвода теплоты на линии 7-8 вновь доводится до уровня температуры, равной температуре перед ТВД. По линии 8-9 происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания, вначале в турбине среднего давления и далее в силовой турбине с получением работы. Работа турбины среднего давления идет на привод компрессора (К), работа силовой турбины - на привод полезной нагрузки. Рассмотренный трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет получить не только высокий КПД на расчетной нагрузке, но и практически удержать его при нагрузке до 50-60% от номинальной, имея максимум КПД в интервале 80-90% номинальной мощности. При кажущейся сложности такой трехвальный двигатель может быть выполнен весьма компактным. Повышение экономичности ГПА с газотурбинным приводом за счет рационального использования теплоты отходящих газов, можно достаточно хорошо осуществить путем использования установок так называемого парогазового цикла (рис. 3.5), сочетающих в себе цикл газовой турбины на уровне высоких температур рабочего тела и цикл паровой турбины, работающий на отходящих продуктах сгорания ГТУ. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где, расширяясь, вырабатывает полезную работу, идущую на привод нагнетателя или электрогенератора. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется, и полученная жидкость насосом вновь направляется в котел-утилизатор, замыкая цикл силовой установки. Схема цикла парогазовой установки в координатах приведена на рис. 3.6.
Рис. 3.5. Принципиальная схема ПГУ с котлом - утилизатором: ОК - осевой компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; Н - нагнетатель; КУ - котел-утилизатор; ПТ - паровая турбина; ЭЛ - электрогенератор; К - конденсатор; КН - конденсатный насос; Д - деаэратор; ПН - питательный насос
Рис. 3.6. Схема цикла парогазовой установки в координатах На этой схеме в верхней её части показан цикл ГТУ, в нижней части - цикл паросиловой установки. На линии 1-2 цикла ГТУ осуществляется процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре, на линии 2-3 - подвод теплоты в регенераторе и камере сгорания, на линии 3-4 - процесс расширения продуктов сгорания в турбине, на участке 4-5 линии 4-1 - осуществляется отвод теплоты от продуктов сгорания, прошедших газовую турбину к воде и пару в котле-утилизаторе паросиловой установки. Подвод теплоты к воде в котле-утилизаторе идет на линии 1’-2’, где она нагревается до температуры кипения. Дело в том, что температура воды на входе в котел-утилизатор практически равна ее температуре на выходе из конденсатора и лежит значительно ниже температуры кипения, соответствующей давлению воды () на выходе из насоса. Поэтому в паровом котле вода вначале нагревается при постоянном давлении () до температуры кипения по линии 1’-2’ и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар (линия 2’-3’). Полученный пар поступает в пароперегреватель, который обычно составляет одно целое с паровым котлом, перегревается там (линия 3’-4’) до нужной температуры (t) и затем поступает в паровую турбину, где расширяется по линии 4’-5’. На линии 5’-1’ пар конденсируется в конденсаторе и вода насосом вновь подается в котел-утилизатор. Цикл замыкается. Установки подобных схем находят применение в стационарной энергетике, отдельные образы используются на газопроводах Германии. В 1995 г. была принята в эксплуатацию первая опытно-промышленная парогазовая установка в России на КС "Грязовец" на базе ГТН-25 и паротурбинной установки мощностью 10 МВт. В настоящий момент разрабатывается большой ряд установок парогазового цикла, мощностью от 0,5 до 6 МВт, которые будут применяться на компрессорных станциях для выработки электроэнергии. КПД схем подобных установок может достигать величины 45-50%. В значительной степени это зависит от значения мощности, которая при этом вырабатывается паровой турбиной. Однако к недостаткам этой схемы следует отнести определенное удорожание энергопривода КС, усложнение эксплуатации подобных установок на газопроводах, особенно в суровых природно-климатических условиях, необходимость водоподготовки и т.д. Все это позволяет утверждать, что эти установки не выйдут из стадии использования на КС отдельных опытно-промышленных образцов. Предпочтение в эксплуатации будет отдаваться главным образом двухвальным установкам простейших схем с регенерацией или без регенерации теплоты отходящих газов. studfiles.net Газовая турбина. Устройство и принцип действия. Промышленное оборудование :: SYL.ru«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье. Российский машиностроительный лидер ОДКРоссии, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков – "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики. Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае. А начиналось все так просто… Поиски и парПервые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями. Рождение газовых турбинСтолетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах. Газовая турбина Николы ТеслаЗнаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени. Принципиальная схемаТеперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой. Достоинства авиационных турбинПримерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так. Есть у газотурбинных двигателей и недостаткиГазовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры. Охлаждение газовых турбин – сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается. Правильное применениеЧто же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого – газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие… Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись. Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика. Тригенераторные электростанцииПроблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %. Ядерные энергоустановкиДля газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины. Широкое применениеСложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию. www.syl.ru Автоматическое регулирование и защита газотурбинных установок (ГТУ)Автоматическое регулирование и защита газотурбинных установокРежим выработки мощности газотурбинной установкой определяется прежде всего режимом работы потребителя. Так, если ГТУ служит приводом электрического генератора, который подключен к энергосистеме, частота вращения ротора совпадает с частотой электрического тока в сети. При установившемся режиме мощность, вырабатываемая всеми турбинами энергосистемы, должна быть равна мощности всех потребителей, подключенных к ней. Изменение потребляемой мощности вызывает изменение частоты электрического тока в сети. При изменении частоты мощность всех турбин должна быть изменена таким образом, чтобы частота сети восстановилась до номинального значения. Если ГТУ работает не на сеть, а на изолированного потребителя мощности, условия ее работы определяются особенностями этого потребителя. Так, ГТУ на газоперекачивающих станциях должны вырабатывать такую мощность, чтобы давление газа за нагнетателем поддерживалось на заданном уровне. Кроме характеристик потребителя на режим работы ГТУ влияет изменение атмосферных условий температуры, давления, влажности и запыленности воздуха. При изменении нагрузки необходимо следить за тем, чтобы ГТУ не вышла из зоны допустимых режимов работы: температура газа перед турбиной не должна быть выше предельной и ниже минимально допустимой; компрессор не должен попадать в помпаж; частота вращения ротора не должна быть меньше или больше допустимой и др. Особенно быстро могут изменяться те или иные параметры при аварийных ситуациях. Человек не в состоянии одновременно учитывать изменение всех параметров, характеризующих режим работы ГТУ, одновременно их регулировать и делать это достаточно быстро, чтобы обеспечить надежную работу. Эти функций выполняет система автоматического регулирования. Прежде всего система регулирования изменяет расход топлива в камеру сгорания в зависимости от условий работу ГТУ. Импульс, служащий сигналом для изменения расхода топлива, вырабатывают датчики, измеряющие ту величину, которую нужно поддерживать постоянной или изменять по заданному закону (частота электрического тока сети, давление газа за нагнетателем, температура газа перед турбиной и др.).
Рис.1. Схема прямого регулирования:1 — регулятор расхода топлива,2 — центробежный регулятор Для управления ГТУ система автоматического регулирования в простейшем случае (рис.1) состоит из центробежного регулятора 2 с грузами, вращающегося вместе с валом турбины. При увеличении частоты вращения грузы расходятся и перемещают муфту L вверх, а при уменьшении они сходятся и муфта опускается. С муфтой связан рычаг АВ, закрепленный шарнирно в точке С. Когда муфта А перемещается вместе с рычагом вверх, конец рычага В опускается и перемещает вниз клапан D, закрывающий доступ топлива в камеру сгорания. Следовательно, с увеличением частоты вращения количество топлива, поступающего в камеру сгорания, уменьшается. При этом уменьшаются крутящий момент и частота вращения ротора турбины. Система регулирования настраивается так, чтобы при номинальной частоте вращения муфта А и клапан D находились во вполне определенном положении. Система регулирования, в которой регулятор скорости воздействует непосредственно на клапан, называется системой прямого регулирования. Мощность турбины зависит от количества топлива, сгорающего в камере сгорания. Расход топлива определяется положением клапанов, которое жестко связано с положением муфты регулятора скорости. Так как положение муфты зависит от частоты вращения ротора, существует связь между его частотой вращения и мощностью турбины. Кривая, изображающая такую зависимость, называется статической характеристикой регулирования. Наибольшее изменение частоты вращения от n1 до n2, при котором мощность изменяется от нуля до полной, ограничено. Это изменение характеризуется степенью неравномерности, или неравномерностью регулирования. Неравномерность обычно равна 4,5—5,5%. Схемы прямого регулирования не получили распространения в мощных турбинах, так как усилия, которые может развивать регулятор скорости, недостаточны, чтобы переместить клапаны. Для перемещения клапанов используются устройства, которые питаются энергией от постороннего источника (например, гидравлические сервомоторы).
Рис.2. Схема регулирования с одним звеном усиления:1 - регулятор расхода топлива, 2 - золотник,3 - центробежный регулятор, 4 - сервомотор В простейшей системе автоматического регулирования скорости с цепью усиления (рис.2) муфта регулятора скорости А соединена с золотником 2, который управляет подводом масла высокого давления в верхнюю или нижнюю полость сервомотора 4. Масло под давлением перемещает поршень сервомотора вниз, если оно подано в верхнюю полость, или вверх, если оно подано в нижнюю. Для перемещения золотника, направляющего масло в сервомотор, достаточно небольшого усилия от центробежного регулятора. Поршень сервомотора развивает большое усилие, необходимое для перемещения клапанов. Рычаг, связывающий муфту центробежного регулятора с золотником, соединен шарниром В со штоком сервомотора. При увеличении частоты вращения ротора муфта центробежного регулятора 3 поднимает конец рычага А вверх. В это время конец рычага В неподвижен и шарнир С, с которым увязан поршень золотника, движется вверх. Масло, поступающее от насоса в среднюю полость золотника, через его верхние окна попадает в полость над поршнем сервомотора. Масло из-под поршня сервомотора через нижнее окно золотника сливается в сливную линию. Поршень сервомотора начинает перемещаться вниз, закрывая клапан. Одновременно шток сервомотора увлекает поршень золотника вниз, так как конец рычага В вместе со штоком сервомотора опускается и поршень золотника возвращается в среднее положение. Это происходит, до тех пор, пока не прекращается поступление масла в полость сервомотора. При снижении частоты вращения сервомотор открывает клапан. Соединение золотника со штоком сервомотора, который возвращает золотник к среднему положению, называется обратной связью, а процесс возвращения золотника к среднему положению — выключением золотника. Введение обратной связи в систему автоматического регулирования увеличивает ее устойчивость.
Рис.3. Схема регулирования с двумя звеньями усиления:1,3 - сервомоторы, 2,4 - золотники,5 - центробежный регулятор В системах регулирования турбин большой мощности объемы сервомоторов, а следовательно, и расход масла достаточно велики. Это требует увеличения площади сечения поршня золотника, что влечет за собой рост усилий на нем. В этих случаях применяют схемы с последовательным двукратным усилием (рис.3). Центробежный регулятор 5 управляет легким золотником 4 небольшого сервомотора 3 первого звена усиления, а поршень этого сервомотора перемещает большой золотник 2 главного сервомотора 1. Каждый золотник возвращается в среднее положение штоком поршня своего сервомотора.
Рис.4. Схема регулирования с синхронизатором:а - с дополнительной пружиной, б - с воздействием на передаточный механизм;1 - сервомотор, 2 - золотннк, 3 - маховичок,4 - пружина, 5 - синхронизатор, 6 - центробежный регулятор,7 - пружина центробежного регулятора В системах регулирования предусматривается специальное устройство — синхронизатор, который позволяет произвольно изменять частоту вращения ротора турбины. Существуют различные виды синхронизаторов. Так, в схеме с синхронизатором, выполненным с дополнительной пружиной (рис.4,а), усилие, развиваемое вращающимися грузами центробежного регулятора 6, уравновешивается сжатием пружины 7 и натяжением пружины 4. Вращением маховичка 3 перемещается винт, к которому крепится пружина 4, изменяющая натяжение. При перемещении винта вверх натяг пружины 4 уменьшается, муфта центробежного регулятора перемещается вверх и так же вверх идет золотник сервомотора. Все эти элементы связаны рычагом, который поворачивается относительно шарнира, расположенного на штоке сервомотора. Золотник подает масло в верхнюю полость сервомотора и заставляет его поршень двигаться вниз, перекрывая поступление топлива. Частота вращения ротора уменьшается, муфта регулятора скорости перемещается вниз и возвращает золотник в нейтральное положение. При этом система занимает положение равновесия уже при новой, меньшей частоте вращения. При вращении маховичка 3 синхронизатора в другую сторону пружина 4 пойдет вниз, потянет за собой вниз муфту регулятора скорости и золотник сервомотора. Масло попадет в нижнюю полость под поршнем, и сервомотор пойдет вверх, увеличивая расход топлива. Частота вращения возрастет, и система регулирования вернется в положение равновесия при новой, но увеличенной частоте вращения. В схеме регулирования с синхронизатором, воздействующим на передаточный механизм (рис.4,б), с помощью маховичка можно перемещать конец Е рычага DE. При этом муфта центробежного регулятора и поршень сервомотора вначале остаются неподвижными, а смещается лишь золотник сервомотора. Система работает так же, как и в предыдущем случае: при движении точки Е вверх частота вращения увеличивается, при движении вниз — уменьшается. Современные системы автоматического регулирования позволяют автоматически поддерживать практически любую частоту вращения на холостом ходу. Каждой из них соответствует свое положение синхронизатора. Центробежные регуляторы, которые способны управлять системой регулирования в широком диапазоне изменения частоты вращения, называют всережимными. Выше рассмотрена работа системы регулирования в том случае, когда электрический генератор не подключен к сети. Обычно турбина работает на общую электрическую сеть и ее мощность мала по сравнению, с мощностью сети, т.е. по сравнению с общей мощностью всех других турбин, работающих одновременно. В этом случае изменение нагрузки одной турбины практически, не сказывается на частоте тока в сети. При изменении потребления энергии (например, в вечернее время) изменяется частота вращения роторов всех турбин. Системы регулирования реагируют на это изменение и изменяют мощность турбин, восстанавливая частоту тока в сети. Мощности турбин изменяются по-разному в зависимости от крутизны статической характеристики регулирования. Допустим, что на сеть работают только две турбины. При изменении частоты вращения мощности турбин изменяется. При параллельной работе двух турбин на общую сеть колебания нагрузки сильнее сказываются на тех турбинах, которые имеют более пологие характеристики. Если в энергосистеме одновременно работают турбины разной экономичности, то более экономичные должны иметь более крутые статические характеристики регулирования. В этом случае они будут работать с устойчивой нагрузкой и слабо реагировать на ее изменение. Пиковую нагрузку на себя возьмут менее экономичные турбины. Если параметром, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по заданному закону, является не частота вращения, а другая величина, то в схеме регулирования вместо регулятора скорости устанавливают измеритель этой величины (например, датчик температуры, давления, расхода топлива и др.). Принципиально схема остается той же: сигнал от датчика об изменении параметра поступает через цепь усиления на исполнительный механизм, который воздействует на работу ГТУ так, чтобы измеряемый параметр достиг необходимого значения. Как сами датчики, так и элементы системы регулирования могут быть самыми различными: гидравлическими, механическими и пневматическими, электрическими. Система регулирования должна поддерживать режим работы ГТУ таким образом, чтобы ни один из заданных параметров не выходил за установленные пределы. Однако в случае отказов в системе регулирования или в аварийных ситуациях это условие не выполняется. Чтобы избежать выхода из строя оборудования, ГТУ оснащается также системой защиты. В зависимости от схемы, конструкции и назначения ГТУ структура системы защиты может быть различной. Однако на каждой ГТУ устанавливается защита от недопустимого повышения частоты вращения и температуры газа перед турбиной, а также защита компрессора от помпажа, роторов от осевых сдвигов и др. Системы защиты состоят из предельных устройств и автоматов безопасности. Предельные устройства поддерживают параметр постоянным, после того как он достигнет предельного значения (уставки). Сигнал об этом подается по специальному каналу обслуживающему персоналу.
Рис.5. Автомат безопасности:1 - ротор, 2,6 - гайки, 3 - боек,4 - пружина, 5 - центр тяжести бойка Автоматы безопасности отключают ГТУ, когда параметр достигает предельного значения. По такому принципу работает, например, защита по частоте вращения ротора (рис.5). В роторе 1 имеется поперечное отверстие, в котором размещен боек 3. Один конец бойка упирается в гайку 6, а другой свободно проходит через гайку 2. Боек удерживается в определенном положении пружиной 4. Положение бойка относительно ротора можно регулировать гайкой 6, а натяг пружины — гайкой 9. Боек располагается таким образом, чтобы его центр тяжести 5 был смещен относительно оси вращения ротора в сторону гайки 2. Сила, возникающая при вращении ротора, стремится вытолкнуть из него боек, однако этому препятствует натяжение пружины. Боек будет оставаться на месте до тех пор, пока эта сила и натяжение пружины не сравняются. При дальнейшем увеличении частоты вращения боек выйдет из отверстия в роторе, мгновенно сжав пружину. При этом его конец, появившийся над поверхностью ротора, воздействует на исполнительный механизм, останавливающий ГТУ. Натяжение пружины, и смещение центра тяжести бойка подбирают так, чтобы защита срабатывала при частоте вращения ротора, не более чем на 10—12% превышающей номинальную.
Рис.6. Схема защиты ГТУ от недопустимогоповышения температуры газа перед турбиной:1 - термопара, 2 - усилитель, 3 - детектор,4 - логический блок, 5,6 - сигналы уставок,7 - световая сигнализация, 8 - сигнал в систему регулирования Одна из схем защиты ГТУ от недопустимого повышения температуры газа перед турбиной показана на рис.6. Для измерения температуры, газа служат термопары 1, от которых сигнал через усилитель 2 поступает в два детектора 3, где сравнивается с сигналами уставок 5 и 6. Одна из уставок соответствует предельной температуре газа, а другая — немного меньшей. Если сигнал поступает от одного из детекторов 3, срабатывает световая сигнализация 7. При поступлении сигнала от обоих детекторов подается сигнал 8 в систему регулирования на автоматический останов ГТУ. Факт появления одного или сразу двух сигналов устанавливает логический блок 4. Чтобы не допустить попадание компрессора в помпаж, необходимо знать, какой точке характеристики соответствует режим его работы. Эта точка определяется любыми двумя из трех величин: степенью сжатия, расходом воздуха, приведенной частотой вращения. Степень сжатия зависит от давления перед компрессором и за ним, а расход определяется по перепаду давления на любом пассивном участке воздушного тракта по его гидравлическому сопротивлению. Следовательно, измерив давление за компрессором и в двух точках тракта перед ним и сопоставив их, можно определить, в какой зоне характеристики работает компрессор. При приближении к границе помпажа автоматически открываются устройства, перепускающие воздух после компрессора в атмосферу или на всас. Такими устройствами являются заслонки, щельные и ленточные клапаны с автоматическим приводом. www.gigavat.com Эксплуатация газотурбинных установок. Оценка качества работы ГТУ. Обслуживание, Пуск, Останов газотурбинной установокиОценка качества работы ГТУГазотурбинные установки работают по определенному графику, называемому диспетчерским и устанавливающему вырабатываемую мощность и время, когда эта мощность должна быть выработана. Чтобы обеспечивать работу в таком режиме, ГТУ должны быть надежны. Вместе с тем заданная мощность должна вырабатываться с наименьшими затратами, т.е. ГТУ должны быть экономичными. Надежной считается установка, способная без перерывов, вызванных неполадками и авариями, устойчиво работать в течение межремонтного периода на заданных режимах. Для планирования выработки мощности необходимо иметь количественную оценку надежности. Одной из таких оценок является коэффициент готовности. Газотурбинные установки не все календарное время находятся в работе. Часть времени они стоят в резерве. Кроме того, обязательно выделяется время, необходимое для плановых обслуживания, среднего и капитального ремонтов. От надежности установки зависит время вынужденного простоя в результате аварий и неполадок. Коэффициент готовности — представляет собой вероятность работоспособности ГТУ в периоды между остановами на плановые ремонты и обслуживание. Отношение времени нахождения ГТУ в резерве к количеству отказов а называют средней наработкой на отказ. Коэффициент технического использования представляет собой вероятность работоспособности ГТУ в течение заданного календарного времени. Наиболее часто условия эксплуатации газотурбинных установок оцениваются коэффициентами рабочего времени и использования установленной мощности. При эксплуатации важно знать, что газотурбинные установки можно запустить в нужный момент. На практике не все запуски бывают удачными. Надежность ГТУ при пусках характеризуют два показателя: коэффициент безотказности пусков и наработка на запуск. Коэффициент безотказности пусков определяет долю удачных пусков в их общем числе. Наработка на запуск равна среднему времени работы на один удачный пуск. Эти показатели используются для количественной оценки эксплуатационных качеств базовых ГТУ. Пиковые ГТУ значительную часть времени находятся в резерве. В течение этого времени могут быть выполнены многие работы по их обслуживанию и ремонту, т.е. время их нахождения в резерве и время вынужденного простоя частично перекрываются. Поэтому для оценки надежности пиковых ГТУ используют условный коэффициент готовности. Установлены нормы на коэффициенты, определяющие надежность ГТУ. Так, коэффициенты готовности и технического использования энергетических ГТУ соответственно составляют 0,98 и 0,92, а наработка на отказ — около 3000 ч. Коэффициент готовности пиковых ГТУ равен 0,97—0,98. Почти три четверти неполадок ГТУ возникает вследствие дефектов оборудования. Вместе с тем доля неполадок, возникающих в результате нарушения режимов эксплуатации, также велика и составляет от 10 до 25%. Причинами этого являются ошибки при управлении газотурбинной установки и ее техническом обслуживании. Экономичность ГТУ тесно связана с надежностью, хотя прежде всего она определяется условиями эксплуатации. Ряд факторов, влияющих на экономичность ГТУ, не зависит от обслуживающего персонала (уровень вырабатываемой мощности, количество и частота пусков, используемое топливо, параметры и состояние окружающей среды). В то же время персонал может влиять на экономичность, поддерживая номинальные температуру и давление газа перед турбиной, экономно используя топливо, увеличивая скорость пуска, а также совершенствуя качество эксплуатации и технического обслуживания. Своевременная очистка проточной части компрессоров и турбин, а также трактов теплообменных аппаратов позволяет поддерживать их кпд на заданном уровне и уменьшить потери. Утечки воздуха и газа, топлива, масла и воды обнаруживают при внешнем осмотре ГТУ и принимают срочные меры по устранению неплотностей. Обслуживание газотурбинных установок при устойчивой работе на номинальных и частичных нагрузкахУровень технической эксплуатации ГТУ зависит от квалификации оперативного и ремонтного персонала, который должен своевременно и аккуратно проводить проверочные и регулировочные работы, обнаруживать и устранять неполадки, постоянно следить за качеством топлива, масла, воздуха, охлаждающей воды. В обязанности оперативного персонала входят прежде всего осмотр и прослушивание ГТУ, а также наблюдение за показаниями приборов. Анализ показаний приборов позволяет регулярно оценивать состояние газотурбинной установки: соответствие ее мощности, а также неравномерности температур газа перед турбиной, давления топлива, воздуха и газа, вибрации оборудования установленным нормам; запас устойчивости компрессора по помпажу; степень загрязнения проточных частей турбины и компрессора, теплообменников. Недопустимое повышение температуры газа перед турбиной может быть признаком повреждения как самой турбины, так и теплообменных аппаратов, возникновения в компрессоре срывов или уменьшения расходов воздуха. Каждой исправной ГТУ свойствен нормальный шум. Если при эксплуатации ГТУ характер шума изменяется, появляются посторонние звуки, пульсации шума и удары, то это означает, что компрессор попал в помпаж или работает на его границе. Удары, стук, скрежет свидетельствуют прежде всего о поломках лопаточного аппарата или задеваниях. Чтобы правильно определить характер и причину неполадок, необходимо привыкнуть к шуму нормально работающей ГТУ. Для точного определения состояния оборудования его прослушивают, применяя стетоскопы — "слухачи". Важным показателем нормального состояния оборудования ГТУ является уровень его вибрации. Необходимо не только знать, укладывается ли амплитуда вибрации в установленные нормы, но и как она изменяется со временем и какова ее частота. Эти данные помогают определить характер и место возникновения неполадок. Так, частота колебаний, меньшая частоты вращения ротора, возникает в результате его неустойчивости на масляной пленке подшипников; частота, равная частоте вращения ротора — при его разбалансировке и задеваниях, а равная двойной частоте вращения — при прогибе вала и расцентровке муфт. Под постоянным контролем должно находиться взаимное расположение ротора и статора. Чрезмерное осевое перемещение ротора может привести к задеваниям и свидетельствует о срабатывании колодок упорного подшипника. Кроме того, контролируется состояние самих подшипников: по температуре масла и баббитовой заливки, а также по качеству масла, его расходу. О нормальной работе камер сгорания газотурбинных установок судят прежде всего по неравномерности температур газа перед турбиной, а также по давлению топлива и характеру дыма. Уменьшение давления топлива при постоянной нагрузке турбины связано с износом форсунок, а увеличение — с их загрязнением. Изменение интенсивности дымления, появление беглого или темного дыма может быть признаком повреждения пламенных труб и трактов отработавшего газа. В темном дыме содержится большое количество сажи, а в белом — несгоревшего топлива. Белый дым может появиться в результате погасания одной или нескольких камер сгорания. Для обеспечения надежной работы ГТУ не реже чем один раз в 4 месяца проверяют автомат безопасности без увеличения частоты вращения и защиту от недопустимого повышения температуры газа перед турбиной. Оперативный персонал, должен постоянно следить за работой воздухозаборных устройств. Для уменьшения запыленности воздуха площадки перед воздухозаборниками поливают. Содержание пыли в воздухе после фильтров на входе в компрессор должно быть не более 0,3 мг/м3; при этом размеры пылинок должны быть не более 15 мкм. При каждом останове ГТУ фильтры очищают, а сборные короба освобождают от пыли и шлака. О нормальной работе фильтров можно судить по отсутствию выноса масла и нормальному перепаду давлений на них. Если фильтры засорены и давление перед компрессором недопустимо уменьшилось, должен автоматически открыться подвод воздуха помимо них (байпас). Масляная система обеспечивает надежную работу ГТУ и вспомогательного оборудования. Основным условием надежной работы ГТУ является постоянное снабжение оборудования маслом. Чтобы не произошло случайного закрытия задвижек и вентилей системы маслоснабжения, все их маховики пломбируются в рабочем положении. Это прежде всего относится к маховикам задвижек и вентилей до и после маслоохладителей, на всасе и напоре резервных и аварийных маслонасосов, до и после фильтров, а также на аварийном сливе из маслобака. Пиковые ГТУ большую часть времени не работают. Однако и они должны постоянно обслуживаться оперативным персоналом. Даже если ГТУ не работает, один раз в смену следует проверять исправность оборудования и систем и один раз в неделю запускать и нагружать ГТУ, чтобы убедиться в ее работоспособности. Пуск газотурбинной установки (ГТУ)Пуск ГТУ — ответственная операция, которую надо проводить, соблюдая правила технической эксплуатации и безопасности. Перед пуском ГТУ следует убедиться в исправности ее основного и вспомогательного оборудования, систем регулирования и защиты. Кроме того, необходимо удостовериться, что монтажные, ремонтные работы и техническое обслуживание закончены, посторонние лица около ГТУ и внутри нее отсутствуют. Предварительно должно быть проверено качество топлива и масла. Если оно не удовлетворяет установленным нормам, пуск ГТУ запрещается. Нельзя запускать ГТУ, если неисправна или отключена какая-либо защита или система регулирования, неисправен один из маслонасосов или не работает система их автоматического включения при недопустимом уменьшении давления масла в системе смазки. Пуск ГТУ проводится автоматически. Действиями обслуживающего персонала руководит начальник смены. После капитального или текущего ремонта пуск ГТУ ведется под руководством начальника цеха или его заместителя. Собственно пуск ГТУ можно разделить на несколько этапов (рис.1).
Рис.1. Характерные этапы пуска ГТУ: 1 - запуск пускового двигателя,2 - зажигание топлива в камере сгоравия,3 - выход на режим работы вблизи границы помпажа,4 - выход на режим работы с предельной температурой газа перед турбиной,5 - работа при постоянном расходе топлива, равном расходу на холостом ходу,6 - работа на холостом ходу На нервом этапе ротор газотурбинной установки раскручивают пусковым двигателем, так как она не может запуститься самостоятельно. Мощность пускового устройства составляет 1—6% от мощности ГТУ. Этому этапу соответствует участок 1-2. При частоте вращения 20—35% от номинальной количества воздуха, подаваемого компрессором, достаточно для устойчивого горения топлива в камере сгорания. Затем в камеру сгорания подается и зажигается топливо, и практически мгновенно температура и давление в ней резко возрастают (точка 3). Расход рабочего газа при этом немного уменьшается. Частота вращения ротора за это время практически не успевает измениться и можно считать, что участок 2-3 соответствует постоянной частоте вращения. При зажигании топлива система регулирования должна обеспечить такое его количество, чтобы компрессор не попал в помпаж (точка 3 находится правее границы помпажа - пунктирная линия). Следующий этап — увеличение частоты вращения ротора. Раскручивать ротор нужно по возможности быстрее, не допуская опять-таки помпажа. Система регулирования должна обеспечивать такой режим раскрутки, при котором гарантируется некоторый запас по отношению к границе помпажа (участок 3—4). При пониженных частотах с этой целью через антипомпажный клапан может сбрасываться до 30% воздуха, проходящего через компрессор. При определенной частоте вращения турбина начинает вырабатывать такую мощность, что далее может вращать ротор ГТУ самостоятельно. Такой режим называют режимом самоходности (расход Gc и степень сжатия ес). Пусковое устройство при этом отключается. Вследствие сжигания в камере сгорания все большего количества топлива увеличивается частота вращения ротора и растет температура газа перед турбиной, которая, наконец, достигает предельного значения (точка 4). Так как больше увеличивать температуру газа нельзя, система регулирования автоматически ограничивает увеличение расхода топлива, но он продолжает расти, так как нужно увеличивать частоту вращения ротора и, следовательно, вырабатываемую турбиной мощность. Однако система регулирования подает столько топлива, чтобы температура рабочего газа перед турбиной сохранялась постоянной (участок 4-5). Наконец, расход топлива становится таким, каким он должен быть на холостом ходу (точка 5). Для плавного выхода на холостой ход без резкого увеличения частоты вращения (заброса) система регулирования сохраняет расход топлива постоянным (участок 5-6) до тех пор, пока частота вращения ротора не станет равной его частоте вращения на холостом ходу. После того как ГТУ начнет устойчиво работать на холостом ходу, ее можно нагружать, увеличивая расход топлива. Если потребителем мощности является электрический генератор, его следует предварительно включить в сеть. Для этого надо так плавно регулировать частоту вращения ротора газотурбинных установок, чтобы совпали не только частоты эдс на шинах электрического генератора и сети, но и их фазы. Эта процедура называется синхронизацией генератора. В момент совпадения частоты и фазы генератор подключается к сети. Если не провести синхронизацию, то в момент включения генератора в сеть возникает толчок, поворачивающий ротор генератора по окружности настолько, чтобы фазы тока сети и эдс генератора совпали. Если в результате отказа при зажигании топлива в камере сгорания или по другим причинам пуск ГТУ не состоялся, нельзя без вентиляции трактов подавать, топливо в камеру сгорания и поджигать его. Это необходимо, чтобы удалить топливо, оставшееся в тракте после неудачного пуска. В ином случае возможно взрывообразное возгорание этого топлива (хлопок). При нарушении установленной последовательности пусковых операций пуск ГТУ прекращается персоналом или защитами, которые срабатывают при повышении температуры газа выше предельной, недопустимом увеличении нагрузки пускового устройства или снижении частоты вращения ротора после отключения пускового устройства, помпаже и в других случаях, предусмотренных местными инструкциями. Кроме того, персонал должен отключить ГТУ при появлении стуков, скрежета и недопустимом увеличении вибрации. Останов ГТУОстановы ГТУ могут быть плановыми и аварийными. Плановые остановы предусмотрены диспетчерским графиком (в связи со снижением потребляемой мощности), а также планами мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту. При плановом останове вначале проводят разгрузку ГТУ постепенным уменьшением ее мощности, а затем отключают генератор. После прекращения подачи топлива весь тракт ГТУ интенсивно вентилируют. В это же время продувают воздухом или инертным газом топливные коллекторы, форсунки и горелки. Продолжительность продувки устанавливается для каждой ГТУ такой, чтобы оставшееся в тракте после останова топливо успело испариться и было удалено из него для предотвращения образования взрывоопасной смеси. После продувки автоматически закрываются шиберы на всасе или выхлопе, чтобы предотвратить попадание в тракт влаги и пыли вследствие естественной тяги. При останове ГТУ персонал должен обязательно контролировать время выбега ротора (время полной остановки) и регистрировать его в суточной ведомости. Уменьшение времени выбега ротора свидетельствует о возникновении неполадок в проточной части или подшипниках (например, задевания). Причина уменьшения времени выбега ротора должна быть определена, а неполадка устранена. Аварийно газотурбинные установки останавливаются защитами или персоналом. В зависимости от последствий, к которым могут привести неполадки, вызвавшие аварийный останов, ГТУ должна быть отключена немедленно или предварительно разгружена. Защиты немедленно отключают ГТУ при росте температуры газа перед турбиной выше предельной, недопустимом повышении частоты вращения ротора и его осевом сдвиге, снижении давления масла и его уровня в баке, повышении температуры масла за подшипниками или одной из колодок упорного подшипника. Защиты срабатывают также при погасании факела в камерах сгорания, недопустимом снижении давления топлива, выходе из строя системы регулирования, потери напряжения на всех контрольно-измерительных приборах, отключении генератора, возникновении помпажа и др. Полный перечень отключений, выполняемых защитами, приведен в местных инструкциях по эксплуатации, где указываются также признаки, по которым можно определить причину останова. Персонал должен в совершенстве знать инструкции, чтобы в очень короткое время после останова определить ситуацию. Отработка навыков быстрого определения причин останова ГТУ по одному или нескольким признакам входит в программу противоаварийной учебы оперативного персонала. Существуют ситуации, при которых ГТУ также должна быть немедленно остановлена, однако автоматика здесь бессильна и сделать это может только оперативный персонал. Так, персонал должен немедленно остановить ГТУ: при обнаружении трещин или разрывов топливо- и маслопроводов высокого давления; появлении необычных шумов, стука и скрежетов в турбине или компрессоре, а также, искр или дыма из подшипников и концевых уплотнений; внезапной сильной вибрации, взрыве в камерах сгорания или газопроводе; воспламенении масла или топлива вне камеры сгорания и невозможности потушить пожар немедленно. Полный перечень ситуаций, при которых персонал должен немедленно остановить ГТУ, приведен в местных инструкциях. Не всякая неполадка немедленно ведет к тяжелым авариям. В некоторых случаях нет необходимости немедленно отключать ГТУ, а целесообразно остановить ее так, как это делают при плановом останове. Это допустимо, например, при заедании стопорных, регулирующих и антипомпажных клапанов, обледенении воздухозаборника, неисправности отдельных защит или оперативных контрольно-измерительных приборов и др. Эти случаи также оговорены в местных инструкциях. Персонал должен четко и безошибочно определять ситуацию и принимать решение о немедленном останове ГТУ или останове с разгрузкой. Все валы ГТУ оснащены валоповоротными устройствами, которые предназначены для медленного проворачивания нагретых роторов, что необходимо для их равномерного остывания. Если ротор не проворачивать, то в результате более интенсивного остывания нижней части он при естественной конвекции изогнется вверх. Вращение ротора в прогнутом состоянии приводит к задеваниям и повышенной вибрации, что делает невозможным эксплуатацию ГТУ. Время проворачивания и потребная дли этого мощность оговариваются для каждого вала ГТУ. Значение тока, потребляемого электродвигателем валоповоротного устройства, заносят в суточную ведомость при каждом останове ГТУ. Техническое обслуживание и ремонт ГТУ. Безопасность труда при обслуживании газотурбинных установокТехническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты ГТУ проводятся по планам, которые составляются в соответствии с требованиями инструкций заводов-изготовителей. Периодичность технического обслуживания и ремонтов зависит также от режима работы ГТУ, количества пусков, вида топлива. Кроме того, принимается во внимание состояние основного и вспомогательного оборудования ГТУ. Операции по техническому обслуживанию проводятся в определенной последовательности и в установленные сроки. На каждой станции утверждается регламент технического обслуживания ГТУ и оговаривается технология выполнения регламентных работ. В регламентные работы входят, например, периодическая очистка турбин, компрессоров и теплообменников, осмотр лопаток турбин и компрессоров, проверка плотности газового и воздушного трактов, трубопроводов, шиберов и арматуры. Важным этапом регламентных работ является проверка исправности системы автоматического регулирования и защиты ГТУ. Проверку работы автомата безопасности с увеличением частоты вращения ротора проводят после каждой его разборки, перед испытанием ГТУ на сброс нагрузки и после длительного его простоя (более 1 месяца). Не менее одного раза в 4 месяца проверяют исправность защиты от превышения температуры газа перед турбинами. В программу регламентных работ входят также контрольные пуски ГТУ, при которых измеряют параметры, позволяющие определить соответствие режима пуска заданному режиму. Система регулирования при мгновенном сбросе нагрузки должна удерживать ГТУ в режиме, при котором не срабатывала бы ни одна из защит, а ГТУ автоматически выходила бы на холостой ход. Регламентными работами предусмотрена проверка системы регулирования мгновенным сбросом максимальной нагрузки отключением генератора от сети. Для диагностирования состояния ГТУ при ее остановах проводят осмотры, целью которых является непосредственное обнаружение неисправностей (износа форсунок, трещин в лопатках, короблений пламенных труб и др.) или установление их по косвенным признакам (например, по наличию кусочков металла, частей лопаток, или поврежденных деталей на выхлопе). Осмотры могут проводиться как без разборки, так и с частичной или полной разборкой ГТУ. Целью ремонтов, является проведение плановых восстановительных работ или устранение результатов аварий и неполадок. Примером восстановительных работ является замена рабочих лопаток, отслуживших свой срок по запасу длительной прочности, перезатяжка фланцев турбины, замена пламенных труб, отработавших ресурс, перезаливка баббита подшипников. Характер ремонтных работ после аварий зависит от вида разрушений и их последствий. В некоторых случаях восстановительные работы приходится выполнять на заводе-изготовителе. Все работы по оперативному и техническому обслуживанию ГТУ должны выполняться качественно, в срок, без ущерба для безопасности и здоровья обслуживающего и ремонтного персонала. Обслуживание ГТУ, проведение регламентных и ремонтных работ должны быть организованы так, чтобы производственные травмы и несчастные случаи были исключены. Каждый работник должен знать и строго выполнять правила безопасного обслуживания и проведения ремонтных работ. Администрация обязана обеспечить организационные и технические мероприятия по созданию безопасных условий труда. Регулярный инструктаж, обучение персонала и постоянный контроль за соблюдением правил техники безопасности на электростанциях обязательны. Ответственность за несчастные случаи несет как администрация, не обеспечивая соблюдение правил безопасного производства работ, так и лица, нарушившие эти правила. Производственный персонал должен уметь освобождать попавшего под напряжение и оказывать ему первую помощь, а также оказывать первую помощь пострадавшим при других несчастных случаях. По характеру производственных процессов ГТУ являются агрегатами повышенной пожаро- и взрывоопасности и требуют обеспечения электробезопасности. В этих условиях строжайшее соблюдение правил техники безопасности является насущной и ежедневной необходимостью. www.gigavat.com Газотурбинная установкаСодержание
Введение Схемы и принцип работы ГТУ Схема одноступенчатой турбины Схема Компрессора Камера сгорания Простая газотурбинная установка прерывистого горения Заключение Список литературы
Введение
Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации. Рис.1 Газотурбинная установка ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок. Газотурбинные установки — ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) до нескольких десятков мегаватт. Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%. Соотношение производимой электрической энергии к тепловой энергии у газотурбинных установок — ГТУ составляет ~ 1:2. То есть газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать ~ 20 МВт тепловой энергии. В зависимости от потребностей газотурбинные установки — ГТУ дополнительно оснащаются паровыми или водогрейными котлами, что дает возможность иметь пар различного давления для производственных потребностей, или горячую воду со стандартными температурами (ГВС). При комбинированном использовании энергии двух видов коэффициент использования топлива газотурбинной тепловой электростанции увеличивается до 90%. Возможность получения от газотурбинных установок больших количеств бесплатной тепловой энергии предполагает возврат более быстрый возврат. Применение газотурбинных установок в качестве силового оборудования для мощных ТЭС и мини–ТЭЦ оправдано экономически, так как на сегодняшний день электростанции, работающие на газовом топливе, имеют наиболее привлекательную для потребителя удельную стоимость строительства и низкие затраты при последующей эксплуатации. Схемы и принцип работы ГТУПростейшие тепловые схемы энергетических ГТУ приведены на рис. 2. Применяются одновальные (рис. 2, а) либо многовальные (рис. 2, в) установки, а также ГТУ со свободной силовой ГТ (рис. 2, г) в тех случаях, когда авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) переводится в энергетическую ГТУ. Для повышения экономичности применяют ГТУ с регенерацией теплоты выхлопных газов ГТ, что позволяет сэкономить топливо, но усложняет конструкцию (рис. 2, б). Промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора уменьшает потребляемую им мощность, а двухступенчатый подвод топлива в камерах сгорания газовых турбин высокого и низкого давлений увеличивает вырабатываемую энергию. Возможны и другие технические решения, например промежуточный перегрев газа в ступенях газовой турбины. Предлагаемые различными российскими и зарубежными фирмами энергетические ГТУ можно условно разделить на ГТУ малой и средней мощности (до 25—30 МВт). Они обычно создаются на базе ГТД, а их тепловые схемы представлены на рис. 2, б, в. Энергетические ГТУ большой мощности (70—300 МВт) обычно выполняют одновальными, иногда используя регенерацию.
Рис. 2. Простейшие тепловые схемы газотурбинных установок открытого типа: КНД, КВД — компрессоры низкого и высокого давлений; ТВД, ТНД — газовые турбины высокого и низкого давлений; КС), КС2 — камеры сгорания первой и второй ступеней; Тл — топливо.
На рис.3 представлена схема простой газотурбинной установки непрерывного горения
Рис. 3 Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор
Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении. Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу). Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ. Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины. Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов
Схема одноступенчатой турбины
На рисунке 4 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.
Рис. 4. Схема одноступенчатой турбины
Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 5 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.
Рис. 5. Схема турбинной ступени
Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму. Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 4 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 6.
Рис. 6. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины
Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение . Схема Компрессора
Рис. 7. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор
Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 6: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10. Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 8) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных неподвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.
Рис. 8. Схема ступени осевого компрессора
Камера сгорания
Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 9.
Рис. 9. Камера сгорания
Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным). Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.
Простая газотурбинная установка прерывистого горения
Схема установка прерывистого горения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для установки с изобарным подводом теплоты. Эта ГТУ отличается от установи непрерывного горения устройством камеры сгорания (рисунок 10).
Рис. 10. Камера прерывистого горения: 1-воздушный клапан; 2-топливный клапан; 3-свеча зажигания; 4-сопловой (газовый) клапан.
Камера сгорания ГТУ прерывистого горения имеет клапаны 1, 2 и 4, которые управляются особым распределительным механизмом. Представим себе, что в некоторый момент времена все клапаны закрыты, и камера заполнена смесью воздуха и топлива. При помощи свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камере повышается, так как сгорание происходит при постоянном объеме. При достижении определенного давления открывается клапан 4 и продукты сгорания поступают к соплам турбины, в которых происходит расширение газа. Давление в камере сгорания падает. После того, как давление в камере упадет до определенной величины, автоматически открывается воздушный клапан 1 и происходит продувка камеры свежим воздухом. Этот воздух проходит также через турбину и охлаждает её лопаточный аппарат. stud24.ru Как устроена газовая турбина?Газовая турбина – это двигатель, в котором в процессе непрерывной работы основной орган устройства (ротор) превращает внутреннюю энергию газа (в других случаях пара или воды) в работу механического плана. При этом струя рабочего вещества воздействует на закрепленные по окружности ротора лопатки, приводя их в движение. По направлению газового потока турбины делятся на осевые (газ перемещается параллельно оси турбины) или радиальные (перпендикулярное движение относительно той же оси). Существуют как одно- , так и многоступенчатые механизмы. Газовая турбина может действовать на лопатки двумя способами. Во-первых, это активный процесс, когда газ подается в рабочую зону на высоких скоростях. При этом газовый поток стремится перемещаться прямолинейно, а стоящая на его пути изогнутая лопаточная деталь отклоняет его, поворачиваясь сама. Во-вторых, это процесс реактивного типа, когда скорость подачи газа невелика, однако при этом используются высокие давления. Двигателей реактивного типа в чистом виде почти не встречается, т. к. в их турбинах присутствует центробежная сила, которая действует на лопатки вместе с силой реакции.
Где сегодня применяется газовая турбина? Принцип работы устройства позволяет использовать его для приводов генераторов электротока, компрессоров и др. Широкое распространение турбины такого вида получили на транспорте (судовые газотурбинные установки). По сравнению с паровыми аналогами они имеют сравнительно небольшой вес и габариты, для них не нужно обустройство котельной, конденсационной установки. Газовая турбина достаточно быстро готова к работе после запуска, развивает полную мощность приблизительно за 10 минут, проста в обслуживании, требует небольшого количества воды для охлаждения. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, она не имеет инерционных воздействий от кривошипно-шатунного механизма. Газотурбинная установка в полтора раза короче, чем дизельные двигатели и более чем в два раза легче. У устройств есть возможность работать на топливе низкого качества. Вышеуказанные качества позволяют считать двигатели такого плана представляющими особый интерес для судов на воздушной подушке и на подводных крыльях. Газовая турбина как основной компонент двигателя имеет и ряд существенных недостатков. В их числе отмечают высокую шумность, меньшую, чем у дизелей, экономичность, небольшой срок работы при высоких температурах (если используемая газовая среда имеет температуру около 1100 оС, то сроки использования турбины могут составлять в среднем до 750 часов). КПД газовой турбины зависит от того, в какой системе она используется. Например, устройства, применяемые в энергетике с начальной температурой газов выше 1300 градусов Цельсия, со степенью сжатия воздуха в компрессоре не более 23 и не менее 17 имеют при автономных операциях коэффициент около 38,5%. Такие турбины не очень широко распространены и применяются в основном для перекрытия нагрузочных пиков в электросистемах. Сегодня около 15 газовых турбин с мощностью до 30 МВт работают на ряде теплоэлектростанций России. На многоступенчатых установках достигается гораздо более высокий показатель полезного действия (около 0,93) за счет высокой эффективности конструктивных элементов. fb.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
