Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.1. Работа на переменном режиме решеток профилей осевых компрессоров
Вдоль тракта многоступенчатого компрессора площадь для прохода воздуха уменьшается в соответствии с изменением плотности и объемного расхода рабочего тела. Однако полное соответствие между площадями проходных сечений и объемным расходом воздуха по тракту может быть достигнуто на одном (расчетном) режиме. На нерасчетных режимах это соответствие нарушается, что приводит к изменению углов атаки на лопатках. Наиболее сильные изменения происходят при n = var, а также G =var.
При G=var, n=const: Направление потока, определяемое углом выхода из неподвижного направляющего аппарата, неизменно. Из рассмотрения треугольников скоростей видно, что угол потока существенно зависит от , т.е. расхода. При снижении начиная с некоторого значения расхода поток на спинке отрывается. Угол атаки, при котором происходит срыв, зависит от геометрии профиля и .
При G = const, n= var:
При G = var, n= var:
1.2. Переменный режим работы ступени компрессора при n=const, = var
При =var , n= const:
В компрессорах с большими широко распространено регулирование с помощью поворота одного или нескольких первых рядов направляющих аппаратов. При неизменных n и u прикрытие НЛ вызывает снижение , т.е. падают напор и расход; на характеристике компрессора прикрытие ВНА смещает изодрому влево и вниз. Уменьшается потребляемая на этих оборотах мощность. Если компрессор находится на отдельном валу с турбиной, его частота вращения повышается. Из-за снижения углов атаки граница устойчивости смещается влево.
1.3. Срывные и неустойчивые режимы работы ступени ОК. Вращающийся срыв
Рассмотрим треугольники скоростей при различных и при (т.е. ). На входе в рабочее колесо скорость потока неизменна по направлению, т.е. и определяется геометрией предыдущего направляющего аппарата. Из рисунка видно, что величина существенно зависит от расхода (). При отклонении скорости w1, от расчетного значения, т.е. при увеличении угла атаки сверх некоторой величины, зависящей от числа Mw1, происходит срыв потока. При положительном угле атаки (i>0) срыв происходит на спинке лопатки, отрицательном (i<0) - на корытце.
Вследствие производственных отклонений в геометрии отдельных лопаток, некоторой асимметрии потока и крупномасштабных пульсаций срыв потока может возникнуть вначале на какой-то одной лопатке. При возникновении срыва на отдельной лопатке сопротивление межлопаточного канала резко возрастает, расход через него падает. На соседних лопатках меняется угол атаки: на одной существенно увеличивается, на другой - несколько уменьшается, в следующее мгновение срыв потока уже происходит в канале, где i возрос. Образуется зона вращающегося срыва, перемещающаяся в решетке направляющего аппарата по направлению вращения с угловой скоростью меньшей, чем угловая скорость ротора. В рабочей решетке зона вращающегося срыва перемещается против вращения. Срывных зон может быть одна или несколько Скорость вращения срыва зависит от числа лопаток, частоты вращения ротора и других факторов.
Вращающийся срыв по-разному проявляется в ступенях компрессора с различным втулочным отношением . При срывная зона захватывает всю высоту канала, при этом расход воздуха резко падает, так как срывная зона занимает от 1/3 до 1/2 окружности колеса. Ступень скачкообразно переходит на срывной режим с существенно более низким уровнем напора, расхода и КПД. Вернуться на нормальную напорную ветвь ступень может при заметном увеличении расхода.
В ступенях с малым втулочным отношением срыв вначале захватывает не всю высоту лопатки, а лишь ее периферийную часть. При этом образуется несколько (до 6 и более) зон срыва. Срыв потока с поверхности лопаток ступени может иметь место и при больших отрицательных углах атаки. Однако при малых резкого нарушения работы ступени не происходит, а наблюдается лишь заметное увеличение гидравлических потерь.
16. Вращающийся срыв в первых и последних ступенях ОК
Площадь для прохода рабочего тела вдоль тракта компрессора уменьшается соответственно снижению объемного расхода. Но эта связь однозначна лишь на одном режиме – расчетном. На отличных от расчетного режимах это соответствие нарушается, что приводит к изменению углов атаки. Наиболее сильные изменения происходят при переменной частоте вращения n - var и переменном расходе (G = var).
Положение рабочих точек на характеристиках первой и последней ступеней при n=var видно на рисунке - случай работы компрессора на постоянное сопротивление. При повышении частоты вращения напорность первых ступеней возрастает; плотность рабочего тела вдоль проточной части растет быстрее, чем уменьшается площадь проходного сечения. Поэтому в последних ступенях объемный расход становится меньше расчетного и их режим приближается к зоне помпажа. При снижении частоты вращения напорность первых ступеней падает, последние ступени работают с отрицательными углами атаки, поэтому к зоне помпажа приближаются рабочие точки в первых ступенях. В средних ступенях таких резких изменений не наблюдается. Чем больше ступеней в компрессоре и чем выше их напорность, тем заметнее несогласованность работы ступеней на нерасчетных режимах.
При n=const и G=var наибольшее изменение расхода (вследствие, например, прикрытия дросселя или возрастания сопротивления турбины) в первой ступени вызывает и наибольшее перемещение точки в сторону увеличения напора, оно нарастает в последующих ступенях, и в последних ступенях точка В заметно приближается к границе помпажа. При открытии дросселя явления происходят в обратном направлении. При этом наблюдается сильное отклонение КПД от оптимального в последних ступенях. Поэтому характеристика многоступенчатых компрессоров более крута, чем характеристика отдельных его ступеней.
Вращающийся срыв - это сложный автоколебательный процесс, возникающий в проточной части компрессора в виде зон с нарушенным характером течения (срывных зон), перемещающихся с угловой частотой, неравной частоте вращения ротора, при уменьшении производительности компрессора. Опасность вращающегося срыва заключается прежде всего в увеличении динамических нагрузок на лопаточный аппарат компрессора. Развитие вращающегося срыва с уменьшением расхода приводит в конце концов к полной потере устойчивости потока, что ведет к появлению сильных колебаний давления в системе компрессор-сеть, к помпажу компрессора
Помпаж - это колебательный процесс в системе компрессор-сеть, условно делящийся на несколько относительно устойчивых периодов. К первому периоду можно отнести развитие срыва потока при больших углах атаки и связанные с этим факторы. При понижении расхода срывные области распространяются вдоль лопаток - это второй период. В третий период в ступени преобладают обратные токи. Во время четвертого периода ступень "подхватывает" поток и сжимает его, при этом давление за ступенью восстанавливается до исходного, после чего опять наступает срыв потока и процесс повторяется до тех пор, пока не будет устранена причина помпажа. Продолжительность периодов, частота колебаний при помпаже зависят от нагнетательного трубопровода: чем больше объем камеры за компрессором и меньше абсолютное давление в ней, тем меньше частота колебаний. Помпаж сопровождается шумовым эффектом и сильной вибрацией всех элементов конструкции и тракта.
Важным является вопрос об определении границы устойчивой работы ступени. Это понятие условно. Считают, что границей помпажа является точка (линия) на характеристике (семействе характеристик), при переходе через которую в область меньших расходов в проточной части возникают заметные колебания параметров потока, появляется вибрация. Для данной машины положение границы помпажа зависит не только от характеристики компрессора, но и от характеристики сети.
1.4. Неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров и помпаж
При повышении сопротивления сети на расчетном режиме () или снижения расхода критические углы атаки будут достигнуты прежде всего в последних ступенях. Возникший в последних ступенях срыв потока распространяется на всю проточную часть компрессора и вызывает помпаж. Причиной помпажа на расчетном режиме может являться наличие радиальной или окружной неравномерности на входе в компрессор. Эта неравномерность может быть следствием неотработанных входных патрубков, расположенных в них стоек или ребер, различных переходных каналов и т.п.
При первые ступени работают с повышенными углами атаки, а последние с пониженными. При малых возникающий срыв часто не нарушает устойчивой работы компрессора в целом, но дальнейшее снижение расхода может привести к помпажу компрессора.
Помпаж - это колебательный процесс в системе компрессор-сеть, условно делящийся на несколько относительно устойчивых периодов. К первому периоду можно отнести развитие срыва потока при больших углах атаки и связанные с этим факторы. При понижении расхода срывные области распространяются вдоль лопаток - это второй период. В третий период в ступени преобладают обратные токи. Во время четвертого периода ступень "подхватывает" поток и сжимает его, при этом давление за ступенью восстанавливается до исходного, после чего опять наступает срыв потока и процесс повторяется до тех пор, пока не будет устранена причина помпажа. Продолжительность периодов, частота колебаний при помпаже зависят от нагнетательного трубопровода: чем больше объем камеры за компрессором и меньше абсолютное давление в ней, тем меньше частота колебаний. Помпаж сопровождается шумовым эффектом и сильной вибрацией всех элементов конструкции и тракта.
Длительная работа компрессора при возникновении срыва в первых ступенях недопустима по условиям вибропрочности лопаток.
На положение границы устойчивой работы влияют конфигурация профилей, густота решетки, степень реактивности, форма эпюры расходной скорости и т.д. Расширению зоны устойчивой работы могут способствовать специальные мероприятия, такие как перепуск рабочего тела с корытца на спинку, установка различных гребенок, решеток ЦИАМ, перфорация над рабочими лопатками и т.д.
Важным является вопрос об определении границы устойчивой работы ступени. Это понятие условно. Считают, что границей помпажа является точка (линия) на характеристике (семействе характеристик), при переходе через которую в область меньших расходов в проточной части возникают заметные колебания параметров потока, появляется вибрация. Для данной машины положение границы помпажа зависит не только от характеристики компрессора, но и от характеристики сети.
На рисунке показана характеристика многоступенчатого осевого компрессора с выделенными зонами устойчивости работы. В зоне I при уменьшении расхода срыв возникает в последних ступенях. Здесь характеристика претерпевает разрыв вне границы устойчивости. В зоне II нарушение устойчивости происходит в первых или средних ступенях, в дальнейшем распространяется на весь компрессор. В этой зоне за границей устойчивости характеристика также претерпевает разрыв. В зоне III при наличии вращающегося срыва в первых ступенях компрессор в целом работает устойчиво. Разрыв характеристики в этой зоне отсутствует. Вследствие этого граница устойчивой работы имеет S образную форму.
Вместе с тем существенное нарушение работы отдельной ступени компрессора может вызвать возникновение срыва в этой или соседней промежуточной ступени.
Наличие развитой сети приводит к более интенсивным колебаниям потока с малой частотой. При запуске неостывшей ГТУ на приблизительно может возникнуть помпажный срыв, который в эксплуатации обычно называют "зависанием" двигателя, иногда "тихим помпажом. При этом некоторые ступени компрессора переходят на левую ветвь характеристики.
1.5. Коэффициент устойчивости и запас по устойчивости в режиме работы ОК
Запас по устойчивости компрессора во всем диапазоне режимов определяется рабочей линией, под которой понимается совокупность установившихся режимов. Для определения степени устойчивости вводят следующие характеристики:
коэффициент устойчивости: ;
запас по устойчивости: .
1.6. Регулирование ОК ГТУ. Деление проточной части на каскады
Как отмечалось выше, на нерасчетных режимах наблюдается рассогласование первых и последних ступеней, меняются утлы атаки профильной части лопаток. Для уменьшения рассогласования ступеней применяют различные способы регулирования компрессоров Возможные цели регулирования следующие: повышение запаса устойчивости; снижение уровня вибронапряжений; повышение эффективности ГТУ на нерасчетных режимах; изменение соотношения и или на рабочих режимах для улучшения характеристик двигателя. Методы регулирования условно можно разделить на две группы:
1) регулирование изменением характеристик системы, например, путем поворота сопловых лопаток в турбине;
2) регулирование изменением характеристики компрессора, например, путем частичного выпуска рабочего тела из промежуточной ступени, изменением геометрии проточной части компрессора.
В настоящее время наибольшее распространение получили системы автоматического регулирования, включающие командный орган или регулятор, с помощью которого осуществляется слежение за величиной регулируемого параметра и вырабатывается импульс, соответствующий отклонению регулируемого параметра от номинального значения; регулирующий орган, изменяющий характеристику компрессора или сети (поворотные лопатки, клапаны); исполнительный механизм, служащий для связи между регулятором и регулирующим органом. Конструкции и динамика систем регулирования рассматриваются в специальных курсах.
Основными способами регулирования осевых компрессоров являются:
1) выпуск части рабочего тела из средних ступеней на проходных режимах;
2) поворот направляющих лопаток;
3) деление проточной части на каскады.
Выпуск рабочего тела (воздуха) через противопомпажные клапаны является наиболее простым и широко распространенным способом регулирования на пусковых режимах. За промежуточными ступенями компрессора организуется один, два или три сброса воздуха в атмосферу. При этом увеличивается расход через первые ступени, и они удаляются от границы помпажа, а последние ступени переходят в зону более высоких значений КПД и напора. Изменение характеристики компрессора при открытии противопомпажных клапанов показано на рис.1 . Положительный эффект от сброса воздуха через клапаны наблюдается только при . На режиме и выше такое регулирование не дает эффекта и не применяется. Количество сбрасываемого воздуха через клапаны составляет 15...25 % расхода через компрессор.
Поворот лопаток направляющих аппаратов широко применяется в компрессорах с большими степенями сжатия. При неизменной частоте вращения , а соответственно и окружной скорости , прикрытие направляющих лопаток вызывает снижение осевой составляющей скорости , проекции скорости , т.е. расхода и напора; изодрома смещается влево и вниз. Уменьшается потребляемая компрессором мощность. Если компрессор, приводимый турбиной, находится на свободном валу ГТУ, то вследствие неизменности подводимой мощности его обороты повышаются. Поворачивают как лопатки входного направляющего аппарата, так и направляющие лопатки нескольких первых ступеней (2...6 венцов). Граница помпажа при прикрытии лопаток смещается влево. Иногда, в некоторых авиационных двигателях регулирующими выполняют все направляющие венцы компрессоров. Углы поворота в различных венцах должны быть различными, максимально прикрываются на проходных режимах первые направляющие лопатки, последние, если они регулируемые, должны быть при этом максимально открытыми.
Деление проточной части на каскады широко распространено в конструкциях авиационных и судовых газотурбинных двигателей, а также использовано в стационарной ГТУ типа ГТН-25 Невского завода. Каскадом двигателя называют группу ступеней, установленных на отдельном валу и приводимых отдельной турбиной. Суммарная степень сжатия делится на две или три составляющие, в зависимости от числа каскадов. Связь между каскадами газодинамическая. В процессе эксплуатации на переменных режимах наблюдается эффект саморегулирования за счет "скольжения" роторов, т.е. более резкого изменения частоты вращения каскада низкого давления по сравнению с каскадом высокого давления.
|
Рис.1 Характеристика осевого компрессора при закрытых (____) и открытых (------) противопомпажных клапанах |
Рис 2. Изменение характеристик компрессора при регулировании лопатки; (_____ ) - номинальный угол установки; (-----) - лопатки прикрыты |
1.7. Учет изменения характеристик ОК в процессе эксплуатации
В процессе эксплуатации загрязняется рабочий аппарат первых ступеней ОК, искажается профиль лопаток.
При условии отсутствия инерционного фильтра происходит абразивный износ, иногда увеличение радиальных зазоров.
При горизонтальных разъемах может возникнуть овальность, что приводит к задеваниям роторных частей о детали статора.
При останове без включения валоповорота происходит коробление корпуса ОК, что также ведет к задеваниям в проточной части.
1.8. Работа компрессора и ГТУ при впрыске воды в проточную часть
Ведущие фирмы-производители энергетических ГТУ используют впрыск воды/пара в установки преимущественно для поддержания концентрации оксидов азота в выходных газах в пределах нормы. Такой впрыск оказывает влияние и на энергетические показатели установки.
Первоначально впрыскиваемую воду (водяной пар) пропускают через специальный фильтр. Пар в частности впрыскивается в зону активного горения через топливные форсунки. Топливо (природный газ) поступает по внутреннему каналу форсунки, а пар – по ее наружному кольцевому каналу. При впрыскивании пар смешивается с потоком воздуха после компрессора, используемого для формирования начальной температуры газов перед ГТ. Пар также может смешиваться с воздухом, охлаждающим корпуса КС.
Вода (водяной пар) при впрыске в огневую зону благодаря более высокой удельной теплоемкости, чем у продуктов сгорания, прогревается до температуры газов и забирает часть теплоты. В результате температура в зоне реакции понижается, чем обеспечивается пониженная эмиссия оксидов азота.
Для каждой ГТУ и каждой конструкции КС существуют свои предельные значения объемов впрыска воды/пара, которые не следует превышать, чтобы не разрушить систему сжигания топлива и не повредить ГТ.
Впрыск воды/пара может существенно увеличить мощность установки вследствие увеличения массового расхода рабочего тела, хотя при этом возможно снижение экономичности ГТУ. Степень повышения давления воздуха в ГТУ с впрыском воды/пара выше, чем у аналогичной установки без впрыска. Увеличение мощности ГТУ вследствие впрыска связано с соответствующем повышением расхода топлива, и это необходимо учитывать при расчете системы топливоподачи.
Одно из отличий энергетических ГТУ с впрыском воды/пара в КС от обычных ГТУ состоит в существенном изменении соотношения рабочих тел, проходящих через компрессор и ГТ, что приводит к необходимости соответствующего увеличения площади проходных сечений проточной части ГТ. Альтернативное решение – это увеличение скорости рабочего тела в проточной части ГТУ и уменьшение КПД.
Следует иметь в виду, что впрыск воды/пара в тракт за компрессором перед КС практически не влияет на выбросы оксидов азота.
Фирма Siemens применила в компрессорах своих ГТУ так называемое влажное сжатие: водная аэрозоль направляется на вход компрессора для увеличения расхода рабочего тела и снижения удельной работы сжатия воздуха. Опресненная вода фильтруется и направляется в водяной коллектор. Группа регулирующих электрических клапанов подает эту воду через форсунки во входной воздуховод компрессора. При сжатии смеси воздуха и воды последняя испаряется, охлаждая воздух в первых ступенях компрессора. Такое техническое решение по данным фирмы снижает расход топлива в ГТУ на 1,5 %, а генерацию оксидов азота – на 20-40 %. При использовании ГТУ в схемах ПГУ влажное сжатие приводит к увеличению паропроизводительности КУ на 2-3 %. Расход воды в этой схеме зависит от окружающих условий и особенности моделей ГТУ.
Если рассматривать в целом реализацию впрыска воды или пара в ГТУ, то следует отметить существенное возрастание трудозатрат при строительстве и эксплуатации системы. Это объясняется тем, что кроме усложнения конструкции самой ГТУ возникает потребность в дорогостоящих очистных сооружениях, так как впрыскиваемая вода должна быть очищена от примесей.
1.9. Особенности работы двухкаскадных осевых компрессоров трехвальных ГТД. Скольжение роторов
КНД работает на переменное сопротивление, которое определяется сопротивлением ТНД и оборотами КВД. Между роторами КВД и КНД имеет место скольжение, которое зависит от давления и температуры атмосферного воздуха и от нагрузки ГТУ.
Для авиационных турбин величина скольжения определяется как ,
для судовых –
Если отличается конструктивно от заданной, то проточная часть загрязнена. На КС имеются таблицы зависимостей от температуры атмосферного вохдуха.
Протекание линий рабочих режимов при разгоне и сбросе нагрузки на характеристиках компрессора двухвальной ГТУ и КВД трехвальной ГТУ качественно однотипно (см.рис.). При разгоне линия рабочих режимов приближается к границе помпажа, а при сбросе удаляется. В двухвальной ГТУ это выражено менее ярко. В КНД трехвальной ГТУ картина обратная - при разгоне имеет место удаление рабочих точек от границы помпажа, а при сбросе - приближение. Физическое существо этого явления связано с массой и моментом инерции роторов. У ротора НД обычно масса больше, чем у ротора ВД. При разгоне растет медленнее, чем , КНД не обеспечивает расчетной подачи воздуха на вход КВД, давление за КНД падает, расход через КНД растет, рабочая точка сдвигается вправо, а в КВД из-за пониженного расхода - влево. При сбросе нагрузки быстрее падает и медленнее . Из-за большого расхода за КНД рабочая точка на характеристике КВД уходит вправо, но из-за отрицательного скольжения роторов КВД оказывает запирающее воздействие на КНД, и рабочая точка КНД сдвигается влево.
а - компрессор двухвальной ГТУ;
б - КВД трехвальной ГТУ,
в - КНД трехвальнойГТУ;
1.10. Компрессоры ГТД на неустановившихся режимах
Неустановившиеся – это переходные режимы (сброс нагрузки, наброс нагрузки, пуск, набор нагрузки от самоходности до рабочей величины).
Если один ОК, то при увеличении подачи топлива в КС запас по устойчивости уменьшается, при сбросе нагрузки – увеличивается.
Линии рабочих режимов (ЛРР) на характеристиках компрессоров в составе двухкаскадного газогенератора располагаются по-разному: при снижении нагрузки ЛРР у КНД приближается к границе устойчивости, а у КВД ЛРР отдаляется от нее. Это объясняется массой роторов и их полярными моментами инерции.
В перспективе большинство ГПА с газотурбинным приводом простого цикла будут иметь двух- и даже трехкаскадные осевые компрессоры, т.к. это расширяет диапазон устойчивой работы двигателей.
1.11. Пусковые режимы ГТУ (ГТД) и работа компрессора
Кроме турбодетандеров в качестве пусковых двигателей ГТД на КС используют также объемные пневматические двигатели с выдвижными пластинами. При равной мощности с ТД оптимальная быстроходность их меньше, а крутящий момент больше, что упрощает передачу к валу компрессора.
Для газотурбинных двигателей с легкими роторами компрессоров предпочтительно использование для запуска электрического стартера.
В трехвальных ГТД и ГТУ возможна раскрутка пусковым двигателем как вала ВД, так и НД. Однако требуемая мощность стартера при установке его на блоке ВД в три-четыре раза меньше, чем при установке на валу НД. Например, для запуска ГТД НК-16СТ мощностью 16 МВт путем раскрутки вала ВД достаточно мощности пусковой турбины около 100 кВт. Поэтому присоединение стартера к блоку ВД предпочтительно. Возможна установка пусковых двигателей на двух валах, что позволяет уменьшить скольжение роторов в период запуска.
Процесс самого запуска можно разделить на несколько этапов: холодная прокрутка, воспламенение топлива, разгон в режиме сопровождения ТД, отключение пускового устройства, продолжение разгона (с закрытием противопомпажных клапанов) до выхода на режим минимальной мощности или холостого хода.
Прикрытие лопаток ВНА компрессора повышает обороты самоходности и отключения стартера. Чем выше расчетное , тем ниже относительные обороты самоходности. В регенеративной ГТУ с малым при неудачном выборе передаточного отношения редуктора и в ГТУ с плохим состоянием проточной части турбомашин обороты самоходности могут доходить до 80 % от номинальных.
Чрезвычайно важно обеспечение достаточного запаса по устойчивой работе компрессора на протяжении всего периода запуска с учетом того, что при разгоне ротора точки линии рабочих режимов на характеристике компрессора расположены левее, чем при установившихся режимах. Высоконапорный компрессор двухвальной ГТУ простого цикла на малых оборотах обязательно проходит через зону вращающегося срыва первых ступеней, захватывающую периферийную часть лопаток. Для уменьшения динамического воздействия потока на лопаточный аппарат над рабочими лопатками выполняют на статоре противосрывные устройства в виде косых щелей, перфорации и тому подобное. Существенное уменьшение угла атаки рабочих лопаток достигается с помощью прикрытия поворотных направляющих лопаток. Неравномерность температуры или давления потока на входе в компрессор, вызванная подмешиванием горячего воздуха или газа (с целью предотвратить обледенение входного тракта) или обледенением силовых стоек и лопаток ВНА, приближает границу устойчивой работы компрессора к линии рабочих режимов. При открытии противопомпажных клапанов расход через первые ступени возрастает, линия рабочих режимов смещается вправо. Желательно иметь возможность выпуска воздуха в компрессоре за третьей или четвертой нерегулируемыми ступенями, а повторный выпуск – еще через три-четыре ступени после первого. Если ГТУ снабжена регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины, то его максимальное открытие заметно смещает линию рабочих режимов в область пониженных температур, то есть вправо, и позволяет исключить одну группу противопомпажных клапанов. При закрытии противопомпажных клапанов частота вращения турбокомпрессора и давление за ним возрастают.
Запуск «горячей» ГТУ после кратковременной стоянки требует повышенного внимания от эксплуатационного персонала, т.к. возможно наличие теплового искривления ротора и статора (упругий прогиб вверх). В этом случае при вращении ротора не исключены задевания по лопаточному аппарату и в уплотнениях на нижней половине статора. Из-за сжатия в компрессоре с подводом теплоты от неостывших деталей проточной части нарушается согласование ступеней компрессора, возникает более интенсивный вращающийся срыв, чем при «холодном» запуске. При загрязненном лопаточном аппарате компрессора и увеличенных зазорах проточной части турбомашин может наблюдаться «зависание» двигателя, когда увеличение подачи топлива не повышает частоту вращения ротора, а вызывает переход компрессора на левую ветвь характеристики. Этот режим опасен для прочности лопаток компрессора, и пуск должен быть прекращен. Внешне о нем можно судить также по пониженному давлению за компрессором и повышенной вибрации двигателя.
К неотмеченным выше особенностям запуска трехвальной ГТУ и ГТД следует отнести также следующие. Необходима предварительная прокрутка обоих турбокомпрессорных блоков. После зажигания рабочая точка на характеристике КВД также приближается к границе устойчивости. Поэтому целесообразно оснащение КВД одним, а при больших - двумя-тремя рядами ПНЛ. При установке стартера только на валу ВД в период «холодной» прокрутки перед КВД образуется разрежение. Вал НД приходит во вращение вначале из-за авторотации (просос воздуха через КНД), а в дальнейшем вследствие образования теплоперепада на ТНД после раскрутки каскада ВД. По мере увеличения перепада на ТНД обороты вала НД растут, увеличивается давление перед и за КВД, и двигатель быстро достигает режима самоходности. Для запуска трехвальных ГТД нередко устанавливают стартеры на обоих турбокомпрессорных блоках, что позволяет на этапе сопровождения уменьшить отставание частоты вращения вала НД и понизить температуру перед ТВД. Перед КНД и КВД, как правило, организуют противопомпажный выпуск воздуха. При больших в КВД также необходим противопомпажный клапан. В конце периода запуска открытый клапан может повлиять на давление в разгрузочных полостях подшипниковых узлов, исказить температурное поле за КС. Моментом окончания запуска обычно считают или переход с вспомогательного маслонасоса на главный, или достижение режима холостого хода.
1.12. Влияние условий эксплуатации на характеристики компрессоров
Наиболее распространен занос проточной части мелкими аэрозолями вследствие отсутствия или неэффективной работы фильтра тонкой очистки. Затем – эрозионный износ профильной части лопаток и вершин рабочих лопаток крупными аэрозолями. Особенно большой вред наносит увеличение радиальных зазоров над рабочими лопатками. Этому может способствовать и коробление статорных деталей (обойм корпуса) вследствие их недостаточной жесткости. Такие дефекты приводят к падению давления за компрессором, повышению приведенной температуры за ним при той же приведенной частоте вращения, что является диагностическими признаками снижения внутреннего КПД компрессора.
В этом же направлении влияет и повреждение лопаток посторонними предметами, однако главная опасность заключается в поломке лопаток, даже если они не сломаны, а только изменились межлопаточные каналы. Увеличение радиальных зазоров диагностируют с помощью емкостных, индукционных и других датчиков, а на остановленном агрегате – с помощью механических и оптических устройств.
1.13. Использование регулируемых направляющих аппаратов в компрессорах. Примеры исполнения
Регулируемый входной направляющий аппарат осевого компрессора при выделении компрессора вместе с приводящей его турбиной в отдельный блок служит только для регулирования самого компрессора и частично его турбины (влияние на к.п.д. турбины). Эффект от РВНА значителен в блокированных установках, например одновальных, а также в транспортных ГТД для увеличения приемистости двигателя. В приводных ГТУ с регулируемой турбиной эффективность дополнительного регулирования ГТУ во многом зависит от ширины зоны рабочих режимов компрессора, а расширения рабочей области можно достигнуть за счет оснащения осевого компрессора несколькими рядами ПНЛ в первых и последних ступенях. Известны конструкции осевых компрессоров, в которых для расширения рабочего диапазона вся направляющие лопатки поворотные.
При неизменных n и u прикрытие НЛ вызывает снижение , т.е. падают напор и расход; на характеристике компрессора прикрытие ВНА смещает изодрому влево и вниз. Уменьшается потребляемая на этих оборотах мощность. Если компрессор находится на отдельном валу с турбиной, его частота вращения повышается. Из-за снижения углов атаки граница устойчивости смещается влево. Если одновременно поворачивается несколько рядов лопаток, то углы поворота в различных венцах должны быть разными. Например, в ГТН-16 максимальный угол прикрытия составляет в ПНА 29о, в следующих венцах НЛ соответственно 21, 14, 8о. Применяют как двухпозиционное регулирование РНА, так и непрерывное. Последнее предпочтительно, т.к. позволяет повышать к.п.д. компрессора и приводимой его турбины, уменьшать диапазон изменения на рабочих режимах, что повышает вибронадежность лопаточного аппарата. В некоторых ГТД с помощью поворотных направляющих лопаток (ПНЛ) регулируют как первые, так и последние венцы, но поворачивают НЛ в начале и в конце проточной части в противоположные стороны.
1.14. Работа на переменном режиме турбинных решеток. Ступень турбины с =var
При G = const , n= var:
При G = var , n= const:
При =var: Регулируемая турбинная ступень имеет поворотные направляющие лопатки, которые обычно называют регулируемым сопловым аппаратом (РСА). На российских газопроводах более двухсот пятидесяти приводных ГТУ, в основном конструкции фирмы "Дженерал Электрик" (США), мощностью 10 и 25 МВт имеют РСА силовой турбины. При изменении угла установки лопатки меняются выходной угол и проходная площадь. Отношение площадей при регулировании с помощью РСА определяется выражением Fc/Fc0 = sin/sin
Обычно при эксплуатации приводных ГТУ на основных рабочих режимах достаточно изменение площади соплового аппарата силовой турбины -20…+10%. Из уравнения неразрывности следует, что при небольших изменениях Fc меняется скорость , перепад в сопле и, как следствие, . Одновременно меняется и степень реактивности ступени. При уменьшении угла снижается, растет, и падают, растет.
1.15. Влияние угла на мощностной КПД турбинной ступени. Зависимость
Увеличение угла вызывает изменение к.п.д. на окружности ступени (). Это объясняется тем, что при увеличении уменьшается проекция скорости .
- коэффициент расхода
1.18. Влияние радиальных зазоров на к.п.д. осевой турбинной ступени
Перетекание газа через зазор в безбандажных венцах наносит вред как вследствие потери работы частью рабочего тела, так и из-за отличия в направлении перетечек от направления основного потока. Кроме этого, на периферийной части рабочих лопаток падают перепад давлений и степень реактивности. В первом приближении эти потери пропорциональны относительному радиальному зазору, т.е. , где d - радиальный зазор, l - высота лопатки. Однако перетекание газа через зазор снижает интенсивность парного вихря у безбандажного конца лопатки. При выполнении лопаток заодно с полкой (обандаженными) потери от перетекания заметно снижаются. В рабочих лопатках средней и небольшой высоты к.п.д. ступени при использовании периферийных полок (бандажей) растет в среднем на 1,5…2%, хотя вторичные потери немного возрастают. Над бандажом необходимо размещение лабиринтового уплотнения, снижающего протечки. В направляющих лопатках, не имеющих внутренней полки, потери с протечками через корневой радиальный зазор особенно велики, если примыкающая ограничивающая поверхность (большей частью цилиндрическая) неподвижна, т.е. принадлежит статору, а не ротору. Когда же внутренняя ограничивающая поверхность принадлежит ротору и вращается, вред от перетеканий сопоставим с пользой от уменьшения вторичных потерь.
Для минимизации радиальных зазоров над рабочими лопатками устанавливают специальные вставки: сотовые уплотнения или легко изнашивающийся материал (графит с никелем либо с медью).
В ПТ применяют ленточные бандажи, а в ГТ бандаж (полка) выполняется заодно с лопаткой, при наборе в пакеты лопатки соприкасаются бандажными полками. Данное мероприятие гораздо дороже. При контакте бандажных полок происходит демпфирование колебаний лопаток.
Обандаживание приводит к изменению структуры потерь:
- вторичные потери возрастают
- потери протечек уменьшаются
1.19. Пассивное и активное обеспечение малых радиальных зазоров в осевой ступени. Щеточные уплотнения
Пассивное обеспечение малых радиальных зазоров осуществляется выравниванием тепловой инерции деталей ротора и статора. Для стационарных ГТУ это обеспечивается подбором толщины деталей, подбором материала с одинаковыми или близкими коэффициентами линейного расширения.
Если в корпусе есть горизонтальный разъем, то возможно образование эллиптичности корпуса. Для избежания этого явления необходимо увеличивать жесткость корпуса, что обеспечивается установкой специальных ребер.
Активное обеспечение малых радиальных зазоров в основном используется в авиационных ГТД. Для выравнивания тепловой инерции роторных и статорных деталей корпуса выполняют двухстенными, а между ними прокачивается охлаждающий воздух. Охлаждающий воздух подается также в специальные камеры статора, выполненные над рабочими лопатками. При этом регулирование нагрева деталей можно осуществлять как расходом охлаждающего воздуха, так и его температурой. Изменение расхода охлаждающего воздуха регулируется САУ в зависимости от режима работы ГТУ.
1.20. Газовпускные и газовыпускные патрубки осевых компрессоров и турбин
Основные требования к воздухоприемным патрубкам: максимальная равномерность потока в окружном и радиальном направлениях, по величине скорости, по углу натекания потока, по температуре.
В конвертированных авиационных ГТД на выходе потока из ОК устанавливается диффузор, т.к. скорость выхода потока высокая.
В приемных патрубках ГТК-10-4 реализован принцип разделения: патрубок имеет силовую основу, внутренняя часть которой покрыта специальным термостойким покрытием, воспринимающим тепловые нагрузки.
При выносных КС существует проблема обеспечения температурного поля. Фирма Siemens решила эту проблему установкой двух КС по бокам агрегата. Внутренняя поверхность подводящих патрубков термоизолирована керамической плиткой, силовой корпус воспринимает перепад давления.
При встроенной КС патрубок, подводящий рабочее тело к СА турбины получил название переходного патрубка (жаровая труба). На входе он имеет круглое сечение, а на выходе сечение в виде сегмента.
Разные отсеки турбины могут располагаться на некотором удалении друг от друга. Для подвода к ним рабочего тела и для образования тракта ГТУ необходимы промежуточные патрубки. Эти патрубки должны обеспечивать плавный подвод потока к СА турбин. В этих патрубках как правило располагаются стойки, через которые пропущены трубки подвода и отвода масла к подшипникам, охлаждающий воздух и др. Выполнить промежуточные патрубки без опор очень сложно. Такие конструкции умеют изготовлять фирмы «Ролс Ройс» и «Нуово Пиньоне».
Газовыпускные патрубки в энергетических ГТУ осевые, что обеспечивает более высокий к.п.д.
В приводных ГТУ используется выхлопной диффузор. Такой патрубок позволяет использовать до 70% выходной энергии, 20% теряется на повороте умеренной скорости.
При большой степени расширения устанавливаются поворотные лопатки, а основной поток делится на два промежуточной перегородкой. Для крепления перегородки нужны стойки.
Если очень большой угол раскрытия и поток «отрывается», то необходимо заранее ввести повышенную шероховатость – возникает множество микросрывов, не формируется большого срыва и сопротивления.
Патрубок характеризуется углом раскрытия и отношением площадей. Необходимо избежать срыва потока и снизить скорость примерно в 3 раза.
Высокая выхлопная труба дает разность плотностей атмосферного газа и выхлопного.
2.1. Классификация энергетических ГТУ по величине единичной мощности и по числу часов использования
По величене единичной мощности энергетические ГТУ классифицируются:
- большой мощности 70-250 МВт;
- средней мощности 12-70 МВт;
- малой мощности 0,9-12 МВт.
По числу часов использования энергетические ГТУ классифицируются:
- базовые 6000 ч/год;
- полупиковые 2000-4000 ч/год;
- пиковые 1000-2000 ч/год;
- резервные и аварийного резерва.
2.2. Классификация энергетических ГТУ по назначению
2.3. Применяемые схемы ГТЭ
НК-37 СТ Э
2.4. Преимущества одновальных и других блокированных схем ГТУ перед ГТУ с ССТ
1. Меньше механических узлов
2. Возможность использования моноротора компрессор-турбина с исключением промежуточного (среднего) подшипника
3. Возможность использования РВНА для реализации управления с поддержанием постоянной температуры за турбиной
4. Более лучшая динамическая характеристика
5. Проще реализация схемы с добавлением пара из котла-утилизатора
6. Возможность использования собственного генератора для запуска
2.5. Основные производители ГТЭ в России, Европе, США
Россия:
ГТЭ-35, 45 ХТГЗ – в Якутске
ГТЭ-150 под Москвой (ЛМЗ)
ГТЭ-25У УТЗ
ГТД-110 Зоря, Николаев, проект – Рыбинские моторы
США (GE, Alstom):
MS-7001 – до 200МВт вместе с паровой – жесткие роторы
MS-9001 – до 300МВт вместе с паровой – жесткие роторы
Европа:
Westinghouse 501, 701 – гибкие роторы – поглощена фирмой Siemens
Siemens – 64.3, 82.3, 92.3
Совместные разработки:
Alstom + ABB – GT-24, GT-26; также турбины GT-8, 11, 13E
2.6. Одновальные ГТЭ на переменном режиме (;).
ЛРР при неподвижном и регулируемом ВНА
Нормальная эксплуатация одновальных приводных ГТУ при различных режимах возможна в том случае, если в дополнение к подаче топлива осевой компрессор и центробежный нагнетатель снабжены регулируемым входным направляющим аппаратом. В энергетике одновальные ГТУ хорошо отвечают требованиям эксплуатации благодаря независимости мощности от частоты вращения. Эффект от РВНА значителен в блокированных установках, например одновальных, эффективность дополнительного регулирования ГТУ во многом зависит от ширины зоны рабочих режимов компрессора, а расширения рабочей области можно достигнуть за счет оснащения осевого компрессора несколькими рядами ПНЛ в первых и последних ступенях. Прикрытие РВНА ведет к уменьшению расхода воздуха и степени сжатия ОК.
Линия рабочих режимов совпадает с изодромой. ЛРР смещается зимой вверх, летом вниз, согласно .
2.7. Однокомпрессорные двухвальные ГТУ на переменном режиме ()
Двухвальные однокомпрессорные ГТЭ с ССТ. Линия рабочих режимов в такой ГТУ проходит с умеренным снижением температуры газа при убывании нагрузки и обычно достаточно удалена от границы помпажа в зимнее время. Такие ГТУ с умеренным значением имеют весьма широкий диапазон работы без дополнительных устройств регулирования. При >7,5...8 осевой компрессор обычно снабжают регулируемым ВНА для обеспечения пусковых режимов и работы при малой нагрузке. Однако такое средство (РВНА компрессора) не следует рассматривать как дополнительный регулирующий фактор ГТУ, позволяющий осуществлять различные программы регулирования. Поворот лопаток ВНА не сказывается на положении рабочей точки на линии рабочих режимов, так как оно определено открытием топливного клапана. В двухвальной ГТУ без регулируемого соплового аппарата силовой турбины изменение открытия топливного клапана при данной температуре воздуха вызывает взаимосвязанное изменение всех параметров. На частичных нагрузках убывают температура газа, расход воздуха, степень сжатия, эффективный КПД в соответствии с зависимостью.
Лекции. В одновальных ВНА на входе в ОК. В двухвальных это не поможет – нужен РСА в ССТ.
Одновальные можно запускать от сети, а двухвальные нельзя. Пусковая мощность в двухвальной меньше, т.к. не надо крутить ССТ и генератор. Не более 25 МВт.
2.8. Преимущества одновальных ГТЭ с моноротором компрессор-турбина
1) Хорошие динамические свойства: сброс нагрузки не вызывает не заброс оборотов СТ.
2)Подача пара из котла-утилизатора без забросов оборотов и снижения запаса устойчивости.
3)Простота конструкции, меньше механических узлов
4) Генератор можно использовать как пусковое устройство: возбудитель или тиристорное устройство.
Минусы
Подшипник расположен внутри КС – сложный корпус, необходимо уплотнение с двух сторон, а также защита от высоких температур.
2.9. Связь частоты вращения турбогруппы с единичной мощностью
В отличие от компрессора, для которого частота вращения является одним из важнейших параметров переменного режима, так как она влияет на расход и напор компрессора, в турбине при варьировании оборотов происходят сравнительно небольшие изменения. Главные изменения режима работы турбины возникают при колебаниях термодинамических параметров, особенно давления перед или за турбиной, и в первую очередь они отражаются на расходе.
Что касается влияния частоты вращения на развиваемый турбиной крутящий момент, то максимальный момент имеет место при и он приблизительно в два раза больше расчетного. Разумеется, при этом . При удвоении расчетных оборотов, как , так и равны нулю, при этом . Отношение максимального момента турбины при нулевых оборотах к расчетному называют коэффициентом приспособляемости или кратностью моментов. Коэффициент приспособляемости имеет большое значение для турбин ГТД наземного транспорта, особенно с механической передачей на колеса, и для пусковых турбодетандеров при страгивании ротора и начале разгона. Большие значения относятся к турбинам реактивного типа. При значительном повышении оборотов сверх номинальных пропускная способность ступеней заметно падает; если при этом ступень работает с полной нагрузкой, то резко возрастает степень реактивности и осевое усилие.
G=20кг/с n=10000об/мин
G=80кг/с n>6000об/мин
G>100кг/с n можно 3600об/мин, но плохо (желательно больше)
; - на входе в стационарных ГТУ
2.10. Работа двухкомпрессорных блокированных схем ГТЭ
LM6000 “Дженерал электрик”конвертированный АГТД, осевой выхлоп в котел утилизатор, способность удерживать ТНД от разгона при внезапном сбросе нагрузки путем раскрытия ПНА, регулирование температуры выхлопных газов, возможность подачи пара в больших количествах. n=3000,3600 об/мин.
Мощность порядка 40 МВт. Можно запускать от сети и регулировать с постоянной температурой за турбиной путем поворота лопаток в КНД. Это необходимо для технологического процесса за турбиной или при работе в составе ПГУ.
2.11. Работа двухкомпрессорных трехвальных схем с ССТ
В трехвальных двухкомпрессорных ГТД при уменьшении подачи топлива из-за более существенного падения мощности ТНД, чем ТВД, обороты вала низкого давления (НД) снижаются в большей мере, чем вала высокого давления (ВД). Это свойство трехвальных ГТД называют скольжением роторов. Численно скольжение роторов выражают отношением или разностью частот. В результате эксплуатационных воздействий скольжение частот вращения обычно возрастает. Линии рабочих режимов на характеристиках КНД и КВД протекают по-разному. При снижении мощности точки рабочих режимов на КВД удаляются от границы помпажа, а на КНД - приближаются к ней. При повышении мощности картина меняется, на обратную. Такое протекание рабочих линий связано с тем, что для КВД сетью является сопловой аппарат первой ступени ТВД, пропускная способность которого по расходу падает при повышении температуры газа. КНД же работает на переменное сопротивление, определяемое в первую очередь частотой вращения КВД. С повышением ее сопротивление сети КНД снижается, и рабочая точка смещается вправо.
Пример НК-37,ДН-80 для электростанции. Подсоединение электрогенератора возможно через редуктор.
2.12. Одновальные и двухвальные схемы ГТЭ с промежутчным подогревом
Введение промежуточного охлаждения и промежуточного подогрева позволяет иметь к.п.д. порядка 0,40…0,42.
Промежуточное охлаждение дает снижение работы ОК, чем и объясняется повышение экономичности. Фирма GE взялась изготовить 100МВт ГТУ с промежуточным охлаждением. Данный проект новый, находится в разработке (турбина уже изготовляется).
Введение промежуточного подогрева требует монтажа дополнительной КС – это дополнительный управляющий фактор. Управляющие факторы: две КС (расход топлива) и регулирование расхода воздуха через ОК – определяют температуру газов на выходе из турбины.
В авиационных помимо КС и ССТ есть сопло-реактивная струя – форсаж, очень высокая температура. В стационарных есть ограничение – не столь жаропрочный лопаточный аппарат.
2.13. Одновальные теплофикационные ГТЭ
1 - комплексное устройство воздухоподготовки;
2 - шумоглушитель;
3 - редуктор;
4 - камера дожига;
5 – водяной котел утилизатор;
6 – горячий шибер
Используется как пиковая или резервная ГТЭ. Температура на выходе из турбины >400 0C, в котле-утилизаторе воду необходимо нагреть не ниже 150 0C. Если есть большой потребитель теплоты, то выхлопные газы можно охладить до 100 0C.
Электрогенератор не имеет горизонтального разъема, поэтому КУВ располагается над ним.
Камера дожига представляет собой ряды трубок, защищенных уголками. Через трубки подводится топливный газ. Уголки вызывают мелкий срыв потока, происходит перемешивание топлива с выхлопными газами – образуется горючая смесь.
Газ, как известно, нельзя хранить в больших объемах. Если происходит прекращение газоснабжения, то нужно использовать другое топливо. Это сжиженный газ и дистилаты.
Зимой котел-утилизатор дает только 0,5 необходимого тепла, остальное пиковые установки.
; , где ; - расход топлива
2.14. Преимущества и недостатки ГТУ ТЭЦ по сравнению с ПТУ ТЭЦ
Плюсы:
1. Малое влияние количества отдаваемой теплоты на располагаемую мощность ГТУ.
2. Температура прямой воды в ПТ от 100 до 120 оС. Очень редко при дальнем теплоснабжении 150 оС. В ГТ температура прямой воды может быть любая (трубы меньшего диаметра при том же количестве передаваемой теплоты, соответственно меньше капитальных затрат).
3. Возможность применения установок небольшой мощности.
4. Если сделать котел-утилизатор водяной с запасом по поверхности, то можно избежать пикового котла.
5. Более глубокое охлаждение уходящих газов (т.е. повышение КПД).
6. Можно вместо водяного иметь паровое теплоснабжение.
Минусы:
1. При снижении мощности количество отдаваемой теплоты снижается.
2. В холодное время года количество теплоты снижается.
3. Нужно благородное топливо (природный газ, дистилаты).
4. Если ГТ недостаточно надежна, нужно ставить дымосос или вентилятор, который должен обеспечить тепло.
2.15. Дополнительное оборудование теплофикационной ГТЭ
1. Для теплофикационной ГТУ нужен водяной котел-утилизатор (вода-газ, вода-вода). Характеризуется большими размерами и массой.
2. Подтопочное устройство (камера дожига). Может быть установлен пиковый котел.
3. Горячий шибер.
Можно отдавать тепло не только в виде воды, но и в виде пара. Тогда нужен не водяной котел-утилизатор, а паровой.
Кроме того в компрессор ГТУ можно впрыскивать дистилат (конденсированная вода, пар).
2.16. Схема работы бинарной ПГУ с общим электрогенератором
1 – котел-утилизатор
2 – деаэратор
ГТД-110+ПТ-60=ПГУ-170МВт
Можно использовать как теплофикационный агрегат
2.17. Контактные газопаровые установки в энергетике
В контактных газопаровых установках пар подаётся в район КС и используется в ГТ.
Впрыск воды или пара в ОК: промывка проточной части, на выходе воздух насыщен парами воды и сильно охлажден. Эффект – падает мощность, потребляемая ОК. Если есть регенератор, то можно впрыскивать на выхлопе ОК.
В двухвальной ГТУ впрыск в ОК ограничивается повышением оборотов турбокомпрессорного блока.
Впрыск перед КС снижает эмиссию NOx.
Плюсы:
1. Увеличение мощности ГТУ
2. Улучшение экологических показателей
Минусы: безвозвратная потеря обессоленной воды.
Установка «Водолей» на ГКС «Ставищинская» (Украина). Установлен смешивающий охладитель.
- без подмешивания воды Ne=10 МВт
- с подмешиванием воды Ne=16 МВт
Плюсы:
1. Повышается экономичность с 35 до 42-45%
2. Увеличивается мощность ГТУ
Минусы:
1. Необходимо изучить состав воды данной местности.
2. Сконденсированная вода – слабый раствор угольной кислоты – коррозия.
3. Нужен воздушный конденсатор.
4. Надо много насосов (от 6 до 9).
2.18. Использование различных показателей для определения эффективности энергетических установок
Стоимость жизненного цикла – самый важный показатель. Он включает:
- капитальные затраты на оборудование, изготовление, транспортировку, монтаж, пуск;
- стоимость сожженного топлива и смазочного масла за весь срок службы;
- затраты на обслуживание и ремонт (зависят от количества инспекций, диагностики, подналадки);
- затраты на персонал (зависят от уровня автоматизации);
- учет стоимости узлов и деталей с ограниченным сроком службы.
На практике используют частные показатели:
- срок окупаемости дополнительных затрат
- сравнение по экономичности
- удельный вес на единицу силы тяги (авиац.), запас хода (судов.), удельный вес топлива на кВт∙ч мощности.
Для ПГУ:
- выработка электроэнергии для потребителя
- стоимость одного кВт∙ч выработанной электроэнергии.
2.19. Особенности переменного режима бинарных энергетических ПГУ
Регулирование ГТ осуществляется подачей топлива в КС (регулирование мощности) и если есть поворотный СА то углом их установки.
ПТ регулируется путём уменьшения или увеличения расхода пара. Больше при низкой температуре, меньше при высокой. Но необходимо, во избежание выпадения влаги, поддерживать влажность пара на выхлопе из ПТ не ниже 11-12%.
Дополнительным способом регулирования является сжигание дополнительного топлива на выхлопе из турбины.
При t=550 оС NПТ=(0,25-0,5)NГТУ
Особенностью является то, что паровая установка двух давлений. Большинство ПГУ при t=550 оС имеют параметры Р=130кг/см2, tпара=535 оС. Когда tза ГТ ↓, то Р=120 кг/см2, tпара=250-300 оС. Современные парогазовые блоки могут быть 1, 2, 3х давлений
2.20. Передвижные и блочнотранспортабельные газотурбинные электростанции
ПАЭС-2500(кВт) – АИ-20 – передвижная автономная электростанция
ПАЭС-1500(кВт) – АИ-24
Передвижные - смонтированы на шасси.
Блочнотранспортабельные – блоки на фундаменте.
НПО «Сатурн»
Пермь – Авиастроитель
Украина – Д-336
2.21. Отличие в подходе при проектировании пиковых, резервных, теплофикационных и базовых ГТЭ
Требования к пиковым ГТУ:
Требования к резервным ГТУ:
Требования к теплофикационным ГТУ:
Требования к базовым ГТУ:
При надстройке паросилового блока нужен индивидуальный проект.
2.22. Пусковые системы энергетических ГТУ
Для одновальной ГТУ пусковое устройство может представлять собой:
Самый старый способ запуска – это машинный возбудитель повышенной мощности. Сейчас используют шкаф с полупроводниками (ТПУ – тиристорное преобразовательное устройство) или генератор со статическим преобразователем частоты (СПЧ).
Для ГТУ с ССТ пусковым устройством может быть:
3.3. Показатели эффективности работы ЦН
Коэффициент расхода на выходе из РК, должен находится в интервале =0,20–0,32, необходимом для эффективной работы диффузора: ,
где - коэффициент стеснения, учитывает конечную толщину лопаток.
Коэффициент теоретического напора : .
Достаточность для получения заданной степени сжатия нагнетателя определяют по формуле:
Хороший ориентир при выборе оборотов - использование понятия коэффициента быстроходности ступени: ;
где Ф- условный коэффициент расхода.
Наиболее эффективные ступени ЦН имеют 0,05, Кп=0,35...0,65, обеспечивающему заданную экономичность, так как излишняя быстроходность затрудняет создание упорного подшипника с высокой несущей способностью, повышает чувствительность конструкции к возможной разбалансировке ротора нагнетателя в процессе эксплуатации.
3.4. Характерные причины снижения эффективности ЦН в эксплуатации
1. При появлении параллельных ниток и увеличении отборов газа между КС (газификация отдельных районов) степень повышения давления на КС упала примерно с 1,44 до 1,35.
2. Пластовое давление может понижаться, поэтому нужны сменные проточные части (СПЧ). Как правило, новые СПЧ имеют пространственные рабочие колеса и БЛД (характеризуются более пологой характеристикой КПД). СПЧ проектируют на степень повышения давления: 1,35; 1,37; 1,7; 2,2.
3. Все КС снабжены пылеуловителями и АВО газа, в которых теряется 4-5% всей работы, совершенной ГПА.
4. При снижении производительности газопровода до 70% от номинальной, открывается 20 кран, а КС отключается от МГ.
5. На к.п.д. ЦН влияют:
- протечки с нагнетания на всас
- эрозионные повреждения рабочих колес (в трубы может попасть грунт в начальные периоды эксплуатации и после ремонта)
- некачественная сборка
3.5. Оптимальность газодинамической характеристики ЦН
Оптимитизированной для КЦ КС проточной частью ЦН следует считать такую, которая обеспечивает:
- транспортировку КЦ заданного количества газа в течение всего года и с соответствующим расчетному давлением на выходе КС;
- соответствие потребляемой ЦН мощности от газотурбинного привода с учетом технического состояния привода ЦН, температуры и давления атмосферного воздуха;
- регулирование работы КЦ отключением агрегата как при последовательном, так и при параллельном соединении ЦН в КЦ с учетом работы других КЦ (наибольшая экономия топливного газа достижима, когда работает минимальное число полностью загруженных агрегатов, так как КПД ГТУ растет с увеличением мощности).
Из рассмотрения характеристик любого нагнетателя следует, что более высокие степени сжатия нагнетателя обеспечиваются при повышенной частоте вращения, пониженной температуре газа и при более тяжелом газе (более высокая плотность).
При последовательной работе двух одинаковых одноступенчатых ЦН второй нагнетатель имеет меньший объемный расход на входе, чем первый, и при равных физических оборотах в соответствии с наклоном напорной характеристики должен развивать увеличенную степень сжатия и потреблять соответственно повышенную мощность, так как массовый расход у обоих ЦН одинаков. При повышении частоты вращения первого растет его степень сжатия, давление и температура перед вторым; при повышении частоты вращения второго падает давление за первым и т.д. Важно, чтобы рабочие точки обоих нагнетателей находились на достаточном удалении от границы помпажа и в зоне максимальных КПД. Если характеристика достаточно полога, то напор второго нагнетателя и соответственно мощность при одинаковой частоте вращения будут меньше отличаться от показателей первого, чем при крутой. Это важно для равномерности загрузки обоих агрегатов. Сложение характеристик последовательно работающих ЦН увеличивает крутизну суммарной характеристики в благоприятном для эксплуатации направлении.
При параллельном соединении полнонапорных нагнетателей удобнее для эксплуатации более крутые характеристики так как они позволяют с достаточным запасом по помпажу использовать разнотипные машины. В этом эксплуатационные преимущества полнонапорных двухступенчатых нагнетателей перед одноступенчатыми, так как для последних в силу необходимости повышения увеличивают угол , а вместе с этим уменьшается и пологость характеристики.
Если рассмотреть характеристику участка газопровода 1 и суммарную характеристику нагнетателей компрессорного цеха (2-2Н, 3 -1ПНН,4-1ПРН), то можно заключить, что необходимую подачу газа можно обеспечить двумя параллельно включенными нагнетателями на полную степень сжатия КС (полнонапорными) или двумя нагнетателями, включенными последовательно (полнорасходными). При неполной пропускной способности газопровода потребная мощность привода существенно падает, режим работы переходит из точки 0 в точку А и уже может быть обеспечен работой одного ЦН. При последовательном соединении полнорасходных нагнетателей отключение одного из них сохраняет согласование пропускной способности трубы и проточной части нагнетателя.
При параллельном соединении полнонапорных ЦН после отключения одного из них проточная часть оставшегося, рассчитанная на половинную подачу, должна уже пропустить полный расход, что осуществимо не в каждом нагнетателе и в зоне очень низких . Поэтому при небольшом количестве параллельно соединенных НПГ регулирование режима отключением машин может встретить трудности. Положение дел заметно улучшается, если в параллель на одну нитку работает три и более полнонапорных НПГ или если регулирование отключением агрегатов осуществляют при наличии двух и более ниток, соединенных перемычками.
Наибольшая экономия топливного газа достижима, когда работает минимальное число полностью загруженных агрегатов, так как КПД ГТУ растет с увеличением мощности. Поэтому широкое использование ступенчатого регулирования КС (отключением ГПА) не только сужает диапазон регулирования по частоте вращения агрегатов, но дает и существенный экономический эффект.
Серьезный недостаток последовательного соединения нагнетателей - необходимость при внезапной остановке одного из них немедленного перевода оставшегося в работе на рециркуляционное кольцо, иначе он не сможет преодолеть сопротивление сети и будет отключен защитой; более высокая сложность системы трубопроводной обвязки (при большем ее диаметре); увеличенная металлоемкость и трудоемкость сооружения компрессорных цехов.
Удаленность характеристики ЦН от зоны помпажа оценивается следующей относительной величиной:
, либо