Требования к пуску гту после простоя более. Энергетические газотурбинные установки. Циклы газотурбинных установок. Требования к режимам эксплуатации

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 капитально-.fo или текущего ремонта пуск ГТУ ведется под руководством начальника цеха или его заместителя. Собственно пуск ГТУ мож­но разделить на несколько этапов (рис. 145).

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 неко-

Рис. 145. Характерные этапы пуска ГТУ:

1 - запуск пускового двигателя,2 - зажигание топлива в камере сгора-вия, 3 - выход на режим работы вблизи границы помпажа, 4 - вы­ход на режим работы с предельной температурой газа перед турбиной, б - работа при постоянном расходе топлива, равном расходу на холос­том ходу, 6 - работа на холостом ходу

торый 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 G c и степень сжатия е с). 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 ГТУ, 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.

Глава 11 Особенности пуска ГТУ

Статический преобразователь частоты (СПЧ)

Общие сведения

Статический преобразователь частоты (СПЧ) используется для раскручивания вала газовой турбины, для этого он подает на генератор питание с переменной частотой, пониженным напряжением и пониженным возбуждением.

Процедура запуска газовой турбины выполняется полностью автоматически. Генератор используется в "двигательном" режиме и во время цикла пуска разгоняет вал до определенной процентной доли от номинальной скорости.

После достижения этой определенной процентной доли от номинальной скорости СПЧ отключается и газовая турбина затем самостоятельно разгоняется до 100% от номинальной скорости.

При 100% номинальной скорости генератор вырабатывает номинальное напряжение и готов для выполнения последовательности синхронизации с энергосистемой.

Помимо функции пуска, СПЧ также используется для разгона блока до определенной скорости во время цикла промывки.

Оборудование системы пуска

Оборудование системы пуска расположено в корпусе, который обычно расположен рядом с отсеком генератора. Корпус пригоден для установки вне помещения в указанных климатических условиях площадки. Предусмотрены системы отопления, кондиционирования воздуха, освещения и вспомогательные силовые розетки для защиты оборудования, размещенного внутри корпуса.

Ниже перечислено основные узлы оборудования этой системы:

· Один (1) отсек мониторинга и управления

· Один (1) реактор звена постоянного тока

· Один (1) расположенный вне основания выключатель со стороны агрегата

· Измерительные и защитные устройства (трансформаторы напряжения VT и тока CT)

· Один (1) автоматический выключатель со стороны трансформатора СПЧ

Основной принцип работы

Пусковой статический преобразователь напряжения питается от трансформатор преобразования напряжения.

Пусковой СПЧ - это косвенный преобразователь частоты, работающий как инвертор с естественной коммутацией, он состоит из трех основных узлов:

· Один (1) тиристорный мост выпрямителя (сетевой мост), питающийся от трансформатора преобразования напряжения.

· Один (1) тиристорный мост инвертора (мост агрегата), подключенный к генератору через разъединяющий выключатель.

· Одна (1) промежуточная цепь звена постоянного тока, реактор которой обеспечивает развязку между мостами сети и агрегата.

В предлагаемую систему входит генератор импульсов для запуска. Асинхронный контроль выполняется полностью за счет обработки сигналов, снимаемых с синхронного пускового электродвигателя с помощью трансформаторов напряжения.

При работе в двигательном режиме на обмотку ротора генератора подается постоянный ток от системы, в которую входят:

· Тиристорный мост, используемый для работы в режиме генератора

· Автоматическая система, которая подает в обмотку возбуждения ротора постоянный ток с помощью контактных колец и щеток. Щетки прижимаются к кольцам в начале последовательности пуска или цикла промывки и поднимаются над кольцами в конце последовательности или цикла.

Функции

Пусковой СПЧ предназначен для выполнения следующих функций:

· Пуск турбины: Валоповоротное устройство создает начальный момент проворачивания на оси вала; затем СПЧ разгоняет вал газовой турбины до скорости самоходности.

· Промывка (с разборкой компрессора): Во время этой последовательности СПЧ вращает газовую турбину с низкой постоянной скоростью.

Описание и элементы конструкции

Полный комплект оборудования устанавливается внутри корпуса (шкафа) с кондиционируемым воздухом, пригодного для установки вне помещения.

Внутри шкафа можно условно выделить две различные группы оборудования:

· Силовое оборудование

· Вспомогательное и управляющее оборудование

Силовое оборудование

Сглаживающий реактор звена постоянного тока и силовой тиристорный модуль являются "силовыми" узлами СПЧ.

В модуль силового тиристора сети/агрегата входят тиристорные плечи моста, их защитные системы, подключения и измерительные приборы (трансформаторы тока, трансформаторы напряжения).

Сглаживающий реактор звена постоянного тока обычно изготавливается с железным сердечником с воздушным охлаждением, оснащенным датчиком максимальной температуры. Реактор выполняет функцию ограничения волн тока в промежуточной цепи непрерывного тока.

Для соединения цепи СПЧ и статора генератора имеется один трехполюсный разъединительный выключатель с двигательным приводом. Разъединитель оснащен заземляющим устройством со стороны СПЧ.

Внутри шкафа с оборудованием установлен один трехполюсный автоматический выключатель для подключения цепи СПЧ к трансформатору СПЧ.

Вспомогательное и управляющее оборудование

Функции управления и защиты СПЧ выполняются с помощью всех необходимых команд, сигналов, аварийной сигнализации, приборов и вспомогательных цепей, которые предусмотрены в блоке. Вспомогательные цепи собраны из преобразователей, релейной логики, схем ПЛК и интерфейсных плат.

Система управления выполняет следующие основные функции:

· Фазовращатель преобразователя неизменной частоты со стороны сети

· Фазовращатель преобразователя переменной частоты со стороны агрегата (в двух рабочих режимах: импульсный режим и режим естественной коммутации)

· Регулятор скорости с внутренним контуром регулятора тока

· Управление углом запуска преобразователя переменной частоты

· Логика работы (ПЛК)

· Интерфейс преобразователя (генератор импульсов открывания тиристоров, опрос сигналов с трансформаторов напряжения и тока)

· Интерфейс обмотки возбуждения

· Диагностика и интерфейс пользователя.

Технические характеристики СПЧ - общие параметры

· Действующие стандарты: IEC, IEEE

· Номинальная пусковая мощность: 2250 кВт

· Выпрямитель:

Количество: 1

Входное напряжение при холостом ходе: 1550 Вольт

· Инвертор:

Количество: 1

Выходное напряжение: 0 – 1450 В

· Сглаживающий реактор

Количество: 1

Тип: Сухой реактор с железным сердечником

· Тип управления: Микропроцессорное

· Вид установки: в контейнере

Пуск ГПА является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. Это связано с тем, что при пуске ГПА одновременно включаются в работу очень большое количество систем как самого агрегата, так и вспомогательных систем КС, от подготовки и правильной настройки которых зависит, насколько надежно этот пуск осуществляется .

В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от перегрева ГТУ. Рост теплового состояния ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГПА близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно для трубопроводов рециркуляции, и вызывает их вибрацию.

Пуск ГПА осуществляется с помощью пусковых устройств. В качестве основных устройств применяются турбодетандеры, работающие в основном за счет давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления.

Схема обвязки пускового устройства и топливного газа показана на рис 6.9
.

Рис. 6.9 Принципиальная схема системы топливного и пускового газа:

ТГ – топливный газ; ПГ – пусковой газ; ВЗК – воздухозаборная камера;

ТД – турбодетандер; ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания;

ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления;

Н – нагнетатель; РЕГ – регенератор; РК – регулирующий кран

Пуск ГПА включает несколько этапов.

Первый этап – подготовительный, когда идет внешний осмотр оборудования для исключения посторонних предметов, проверяется крепление оборудования, подверженного вибрации, проверяется положение кранов: краны 1, 2, 4, 6 – закрыты, кран 5 – открыт, закрыты краны на линиях подачи пускового газа в турбодетандер и топливного газа в камеру сгорания.

Второй этап – путем имитации производится проверка защит и сигнализации ГПА. При этом защиты разделяются на две группы: защита КС и защита ГПА.

Защита КС – это защита цеха от загазованности, пожара, защита по давлению на выходе станции, защита от аварийных ситуаций на трассе, защита по температуре газа при входе в МГП и др.

Защита ГПА – это защита по давлению масла в маслосистемах (не менее
0,2 кг/см 2), защита по погашению факела в камере сгорания, защита по превышению числа оборотов вала детандера, ТВД, ТНД, защита по температуре подшипников, защита по вибрации и др.

Третий этап – непосредственно пуск ГПА.

Рассмотрим типовой алгоритм запуска стационарного ГПА с полнонапорным нагнетателем. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства, а сам алгоритм протекает следующим образом. После нажатия кнопки "Пуск" включается пусковой насос масло-смазки и насос масло-уплотнения. Открывается кран № 4 и при открытом кране № 5 осуществляется продувка контура нагнетателя, в течение 15-20 с. После закрытия крана № 5 и роста давления в нагнетателе до перепада 0,1 МПа на кране № 1 производятся открытие крана № 1, закрытие крана № 4, открытие агрегатного крана № 6. При этом произошло заполнение контура нагнетателя, и такой пуск называется пуском ГПА с заполненным контуром.

Далее включается валоповоротное устройство, вводится в зацепление шестерня турбодетандера, открывается гидравлический клапан № 13. Затем открывается кран № 11, закрывается кран № 10 и отключается валоповоротное устройство. Агрегат начинает вращаться от турбодетандера.

Первый этап раскрутки заканчивается открытием крана № 12 и закрытием крана № 9.

На втором этапе раскрутка роторов производится совместно с турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора 400÷1000 об/мин включается система зажигания и открывается кран, подающий газ на запальное устройство камеры сгорания. После зажигания через 2-3 с открывается кран № 14 и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. Через 1-3 мин. после набора температуры ~ 150-200 °С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий кран РК на величину 1,5-2 мм и начинается второй этап прогрева, который продолжается ~ 40 с. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия регулирующего крана РК. При достижении оборотов ~ 40÷45 % от номинала турбина выходит на режим. Закрываются краны № 13 и 11, открывается кран № 10. При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора.

На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых маслонасосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата.

При увеличении частоты вращения до величины, равной частоте вращения других нагнетателей цеха, открывается кран № 2 и закрывается агрегатный кран № 6, включается табло "Агрегат в работе".

Пуск агрегата запрещается:

При неисправности любой, хотя бы одной защиты на ГПА;

При не до конца собранных деталях и трубопроводов агрегата;

При повышенном перепаде масла на фильтрах, неудовлетворительном качестве масла, наличии утечек масла смазки и масла уплотнения;

При неустранении дефектов, обнаруженных на ГПА, до вывода в ремонт;

При вынужденной и аварийной остановках до устранения причины, вызвавшей остановку;

При неисправности системы пожаротушения и контроля загазованности, а также при обнаружении промасленных участков газоходов и воздуховодов.

Рис 3.1. (1 - момент стартера М ст; 2 - момент турбины М т; 3 –суммарный момент стартера и турбины М ст + М т; 4 - общий момент сопротивления ТК блока М ст + М т; I,II,III - этапы запуска).

На первом этапе происходит раскрутка ТК блока с помощью стартера до частоты вращения n 1 , соответствующей началу пос­тупления в камеру сгорания воздуха и осуществлению процесса вос­пламенения в ней.

На втором этапе (от n 1 до n 2) продолжается раскрутка ТК блока, но уже при совместной работе стартера и турбины. После достижения ТК частоты вращения n 2 , когда мощность турбины становится достаточной для его дальнейшей раскрутки, стартер отключается.

На последнем этапе (от n 2 до n xx) продолжается увеличение мощности турбины и выход ГТУ на режим холостого хода.

Рассмотрим процессы, происходящие в элементах ГТУ, в период ее пуска от n= 0, до n=n xx .

Потребная для работы компрессора мощность определяется его параметрами: КПД (η к), производительностью (G к) и величи­ной перепада тепла, характеризующего достигнутую степень повыше­ния давления при определенной температуре наружного воздуха. Ха­рактер изменения некоторых из них от частоты вращения в период пуска ГТУ представлен на рис.3.2.

Характер изменения параметров работы компрессора при запуске ГТУ

Рис.3.2. (1 - степень повышения давления π к; 2 - произ­водительность G к; 3 - потребляемая мощность N e k ; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Мощность, развиваемая турбиной ТК блока, также определяется параметрами: температурой газов на входе, их степенью расширения и расходом. Характер изменения некоторых из них в зависимости от частоты вращения при запуске корабельной ГТУ представлен на рис.3.3.

Характер изменения параметров работы турбины при запуске корабельной ГТУ

Рис.3.3. (1 - температура газов перед турбиной Т 3 ; 2 - степень расширения газа е ; 3 – мощность турбины N е T ; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Характер изменения параметров работы ГТУ-20 транспортного судна при ее запуске приведен на рис.3.4 .

Осциллограмма запуска ГТУ-20

Рис.3.4 (1 - число оборотов ТКВД n 1 ; 2 - температура газа перед ТВД T 1 ; 3 - число оборотов ТКНД n 2 ; 4 - давление топлива перед форсунками Р T ; _____ из холодного состояния; _ _ _ _ _ из прогретого состояния; I - включение зажигания и подача топлива; II - отклю­чение зажигания; III - страгивание ТКНД; IV – отключение стартера).

В общем случае процесс запуска ГТУ можно разбить на следующие этапы: страгивание, холодный разгон и подача топлива.

Для страгивания ТК блока к нему с помощью стартера подводится энергия, обеспечивающая преодоление сопротивления всей системы и ускорение ротора. При этом крутящий момент стартера должен быть не менее, чем в 1,5-2,0 раза больше момента страгивания, определяемого по формуле:

М стр =ξ*Р*r, (3.1)

где Р - вес ротора ТК; r - радиус подшипника, ξ = 0,3 - коэф­фициент трения покоя.

Величина указанного запаса обуславливается изменением момен­та страгивания в зависимости от времени стоянок, количества вскрытий, ремонтов и др.

На этапе холодного разгона необходимо принимать во внимание следующее обстоятельство: момент сопротивления ТК до подачи топ­лива в камеру сгорания для ГТД различ­ного класса может быть принят, равным моменту сопротивления компрессора, т.к. момент сопротивления турбины в это период пренеб­режимо мал. Для определения момента сопротивления ТК при В = 0, т.е. в области небольшого сжатия воздуха, может быть использована формула:

М/М 0 ≈ (n/n 0) 2 , (3.2)

где М 0 , n 0 - момент и частота вращения ТК на основном расчетном режиме.

При подаче топлива необходимо руководствоваться следующим. Продолжительность запуска ГТУ определяется временем подачи топлива и чем раньше оно будет подано, тем меньше время запуска. При экстренном запуске вводится ряд ограничений. Для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания минимальное число оборотов компрессора должно составлять 10-20 % от значения полного хода. Удовлетвори­тельный распыл топлива должен быть обеспечен при его минимальном расходе через форсунки. Применительно к форсункам с механическим распылом эта величина обычно составляет 10-20 % от расхода на полном ходу, а с воздушным распылом она может быть снижена до 5-10 %. При выборе числа оборотов и количества топлива в момент подачи необходимо учитывать, что из-за неудовлетворительного рас­пыла, низкой скорости и температуры воздуха его значительная часть может не сгореть вообще или будет догорать в проточной части тур­бин. Поэтому КПД камеры сгорания в этот период падает до 60-70 % (вместо 97-98 % на полном ходу).

Приведенные цифры являются ориентировочными, т.к. рабочий процесс камер сгорания в пусковом режиме существенно зависит от типа камеры, форсунок и системы подачи топлива и в отдельных слу­чаях может выходить за указанные пределы. Исходя из условий надеж­ности запуска, число оборотов и расход топлива в момент его подачи должны быть не менее 20 % от их значений на режиме полного ПХ. В условиях нормальной эксплуатации указанные ограничения отсут­ствуют. Например, в ГТУ-20 топливо подается после выхода ТК на холодный установившийся режим.

Для осуществления пуска судовых ГТУ находят применение три вида стартера (электродвигатели постоянного и переменного тока, паровая турбина), каждому из которых присущи свои особен­ности. Так, электродвигатель постоянного тока обладает хорошей моментной характеристикой, допускает регулирование режима прос­тейшими способами (например, изменением напряжения в обмотке возбуждения), однако имеет большие габариты и для своей работы требует наличие выпрямителя.

Электродвигатель переменного тока обладает теоретически
наилучшей моментной характеристикой ( ст = f(n)). В то же время обычные малогабаритные двигатели (с короткозамкнутым ротором) допускают работу при пониженной скорости вращения только в течение нескольких секунд из-за многократной перегрузки по току, что для запуска ГТД неприемлемо, т.к. раскрутка ТК из-за его инер­ции обычно занимает несколько минут. Применение регулируемых двигателей (например, с фазным ротором) нерационально из-за увели­ченных габаритов и сложности системы регулирования. Поэтому для запуска ГТУ наиболее целесообразным является электродвигатель переменного тока в сочетании с гидротрансформатором. Такой комп­лекс представляет собой электрогидравлическое пусковое устройство. Наилучшей пусковой характеристикой обладает паровая турбина, т.к. она развивает большую мощность при предельно малых габаритах. Ее применение ограничивается необходимостью наличия пара, а это ставит запуск ГТД в зависимость от работы паровых котлов.

Мощность стартера составляет 2-4 % от мощности ГТД.

При выборе времени запуска определяющим является вес ГТД. Например, в легких ГТД, благодаря малой массе деталей, не возни­кает опасность недопустимых температурных напряжений, кораблений и т.п., связанных с его быстрым нагревом при запуске. В этом случае запуск определяется временем разгона ротора. В тяжелых ГТД, наоборот, вследствие массивности их деталей необходим постепенный и длительный прогрев. Время выхода из холодного неподвиж­ного состояния на режим холостого хода в большинстве случаев составляет 10 мин, а на режим полного хода - (20-30) мин; из горячего состояния - соответственно (4-6) мин и (6-8) мин. Экстренный запуск в 3-4 раза быстрее нормального запуска ГТД.

Учитывая, что надежность запуска ГТД в действие определяется моментом сопротивления раскручиваемого ТК, поэтому при его работе в таком режиме необходимо создать условия для уменьшения величины сопротивления и увеличения вращающего момента. В зависимости от типа ГТД для этих целей используют различные способы. В ГТД прос­тейшей схемы для улучшения пусковой характеристики уменьшают нагрузку на выходном валу, например, путем постановки на нулевой шаг лопасти ВРШ, отсоединения ГТД от гребного винта и т.п. В ГТД со свободной пропульсивной турбиной уменьшают сопротивление за турбиной компрессора, например, путем вытравливания газа на ее входе или раскрытием сечения поворотом сопловых аппаратов.

Для ГТД с двумя компрессорами имеются свои особенности. В начальный период запуска ТКНД неподвижен, т.к. момента, разви­ваемого его турбиной, не хватает для страгивания. В этот период помимо потери на выхлопе турбины раскручиваемого ТК (как и в схе­ме со свободной турбиной), добавляется потеря от прососа воздуха через неподвижный КНД, которая по опытным данным равна:

ΔР пр = кz(G/G 0) 2 , (3.3)

где z - число ступеней компрессора; G - количество просасывае­мого воздуха; G 0 - номинальная производительность компрессора; к≈1.

Из формулы (3.3) видно, что даже при малых расходах воздуха

компрессор представляет собой существенное сопротивление, сле­довательно, для улучшения пусковой характеристики ГТД следует либо с помощью специального пускового устройства заранее страги­вать ТКНД, либо уменьшать потери путем введения дополнительного воздушного тракта в обвод КНД.

Наиболее распространенной причиной повышения момента сопротивления при запуске является помпаж компрессора, приводящий к резкому снижению его КПД. В этом случае рациональным способом улучшения пусковой характеристики является вытравливание в атмос­феру небольшого количества воздуха из компрессора. Возникающие при этом потери будут значительно меньше по сравнению с выигры­шем от увеличения КПД компрессора в процессе его выхода из помпажа. Например, в ГТУ-20 компрессор при работе во время запуска в зоне помпажа имеет КПД около 65 %, а при выходе из помпажа - около 85 %, т.е. КПД увеличивается более чем на 20 %. Количест­во же воздуха, вытравливаемое для выхода из помпажа, составляет менее 10 %.

На запуск ГТД оказывает влияние его тепловое состояние. Нап­ример, запустить ГТД из прогретого состояния легче, чем из холод­ного. Это связано с уменьшением радиальных зазоров турбин и комп­рессоров, и соответствующим увеличением их КПД.

Как указывалось выше, при запуске ГТУ в действие в ее основных элементах происходят специфические процессы. Их сущность излага­ется ниже.

КАМЕРА СГОРАНИЯ. В этом элементе в конце первого этапа запуска при достижении ТК блоком частоты вращения n 1 (рис.3.1) происходит зажигание топлива. Для обеспечения ее надежного нача­ла и устойчивой последующей работы необходимы эффективные дейст­вия воспламеняющего устройства, хорошее смесеобразование и ор­ганизация горения.

В качестве воспламеняющих устройств наибольшее распростране­ние получили пусковые воспламенители , состоящие из пусковых фор­сунок и устройств, обеспечивающих необходимое формирование огне­вого факела. Их пусковые качества в основном обусловлены расходом топлива. В камерах сгорания, имеющих пусковые воспламенители, по­дается в 1,5 раза больше топлива, чем без них.

Устойчивость работы пускового воспламенителя определяется скоростью воздушного потока на входе в диффузор камеры сгорания и коэффициентом избытка воздуха в нем, а эффективность работы - температурой, глубиной проникновения факела внутрь жаровой трубы и местом расположения. Значения этих параметров взаимосвя­заны с составом смеси в воспламенителе и совершенством рабочего процесса.

После поджигания топливо-воздушной смеси происходит расп­ространение пламени по всему объему жаровой трубы камеры сгорания. Факторами, определяющими его характер, являются отношение количест­ва тепла, выделившегося в начальном сферическом объеме смеси, где происходит электрический разряд, к количеству отводимого тепла. Зависимость здесь такова: чем больше это отношение, тем лучше происходит распространение пламени.

В последующий период горения начинает возрастать давление в камере сгорания, в результате чего происходит переброс пламени через специальные патрубки в остальные холодные ее объемы и под­жигание в них топливо-воздушной смеси.

Надежность распространения пламени по всему объему камеры сгорания зависит от геометрических размеров и кинетической энер­гии выходящего факела, определяющих его воспламеняющую способ­ность, а также от характеристик смеси в циркуляционных зонах хо­лодных жаровых труб.

Геометрические размеры поджигающего факела при постоянном перепаде давлений между жаровыми трубами обусловлены только вели­чиной проходного сечения пламеперебрасывающего патрубка.

Устойчивое воспламенение смеси в камере сгорания возможно лишь при проникновении огневого факела в зону обратных токов цир­куляционной области. Если этого не произойдет и топливовоздушная смесь будет поджигаться на периферии жаровой трубы, стабильного горения смеси во всем объеме жаровой трубы не образуется, т.к. пламя постоянно будет сноситься потоком, движущимся с большой скоростью в зоне прямых токов.

Условия воспламенения смеси и пламеобразование во всем объе­ме жаровой трубы непосредственно зависят от состава горючей смеси и качества ее образования. Горение происходит при вполне опреде­ленных соотношениях паров топлива и воздуха.

Время подготовки смеси связано со скоростью испарения топ­лива. Оно определяет возможности сгорания смеси в пределах жаро­вой трубы. Интенсивность испарения топлива непосредственно зави­сит от степени его распыла (величины капелек) и усиливается с уменьшением их размеров.

При попадании огневого факела в зону обратных токов происхо­дит интенсивное испарение капель топлива и его воспламенение с распространением процесса воспламенения и на зону прямых токов. Устанавливается стабильный процесс горения, при котором горение смеси в зоне прямых токов постоянно поддерживается очагом пламени в зоне обратных токов. После этого отключаются пусковые воспла­менители.

Пусковые возможности камеры сгорания характеризуются ее пус­ковой характеристикой. Она определяет область воспламенения и ее границы, а также максимально допустимые значения скорости потока и коэффициента избытка воздуха.

КОМПРЕССОР. Для ускорения вывода ГТУ на режим холостого хода необходимо иметь температуру газа перед турбиной максимально до­пустимой. Однако препятствием этому является предел устойчивой работы компрессора.

Известно, что область такой работы осевого компрессора при низкой частоте вращения существенно сужена. Кроме того, при ин­тенсивном возрастании температуры газов перед турбиной заметно увеличивается сопротивление газовоздушного тракта ТК и, как след­ствие, снижается производительность компрессора. Его степень по­вышения давления в области малых оборотов возрастает медленно. В конечном итоге происходит уменьшение осевой скорости воздушно­го потока, увеличение угла атаки обтекания лопаток и возможен срыв потока. Компрессор будет работать неустойчиво (помпажировать) , в результате чего начнется колебание давления воздуха на выходе, снизится его производительность и возникнет вибрация. Все это отразится на работе турбины. При падении давления за компрессором нарушится установившаяся работа камеры сгорания и догорание газов будет происходить уже за турбиной. При сниженном давлении на входе и возросшем противодавлении на выходе существенно уменьшит­ся тепловой перепад, срабатываемый турбиной и, как следствие, про­изойдет снижение интенсивности роста частоты вращения ТК блока. В таких условиях возможны "зависание" частоты вращения и срыв запуска ГТУ. Во избежание этого, величина критерия устойчивости компрессора против помпажа должна быть К у >1,1. При значениях К у > 1,1 (очень малых запасах устойчивости) требуется корректи­ровка подачи топлива на запуске вручную.

Характеристика компрессора при работе его на пусковых режи­мах приведена на рис.3.5 .

Видно, что при запуске рабочая линия компрессора заметно смещается в сторону к границе устойчивости по сравнению с рабо­той на установившихся режимах.

На некоторых ГТУ допускается выход рабочей линии компрессора за границу устойчивой работы на первом этапе запуска, т.к. в этот период топливо в камеру сгорания не подается, а поэтому серьезной опасности ГТУ не подвергается. В противном случае (по каким-то причинам произойдет подача топлива в камеру сгорания) ГТУ попадет в помпаж и возможен пожог лопаток турбины.

Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой единый, относительно компактный в котором спаренно работают силовая турбина и генератор. Система получила широкое распространение в так называемой малой энергетике. Отлично подходит для электро- и теплоснабжения крупных предприятий, отдаленных населенных пунктов и прочих потребителей. Как правило, ГТУ работают на жидком топливе либо газе.

На острие прогресса

В наращивании энергетических мощностей электростанций главенствующая роль переходит к газотурбинным установкам и их дальнейшей эволюции - парогазовым установкам (ПГУ). Так, на электростанциях США с начала 1990-х более 60 % вводимых и модернизируемых мощностей уже составляют ГТУ и ПГУ, а в некоторых странах в отдельные годы их доля достигала 90 %.

В большом количестве строятся также простые ГТУ. Газотурбинная установка - мобильная, экономичная в эксплуатации и легкая в ремонте - оказалась оптимальным решением для покрытия пиковых нагрузок. На рубеже веков (1999-2000 годы) суммарная мощность газотурбинных установок достигла 120 000 МВт. Для сравнения: в 80-е годы суммарная мощность систем этого типа составляла 8000-10 000 МВт. Значительная часть ГТУ (более 60 %) предназначались для работы в составе крупных бинарных парогазовых установок со средней мощностью порядка 350 МВт.

Историческая справка

Теоретические основы применения парогазовых технологий были достаточно подробно изучены у нас в стране еще в начале 60-х годов. Уже в ту пору стало ясно: генеральный путь развития теплоэнергетики связан именно с парогазовыми технологиями. Однако для их успешной реализации были необходимы надежные и высокоэффективные газотурбинные установки.

Именно существенный прогресс газотурбостроения определил современный качественный скачок теплоэнергетики. Ряд зарубежных фирм успешно решили задачи создания эффективных стационарных ГТУ в ту пору, когда отечественные головные ведущие организации в условиях командной экономики занимались продвижением наименее перспективных паротурбинных технологий (ПТУ).

Если в 60-х годах газотурбинных установок находился на уровне 24-32 %, то в конце 80-х лучшие стационарные энергетические газотурбинные установки уже имели КПД (при автономном использовании) 36-37 %. Это позволяло на их основе создавать ПГУ, КПД которых достигал 50 %. К началу нового века данный показатель был равен 40 %, а в комплексе с парогазовыми - и вовсе 60 %.

Сравнение паротурбинных и парогазовых установок

В парогазовых установках, базирующихся на ГТУ, ближайшей и реальной перспективой стало получение КПД 65 % и более. В то же время для паротурбинных установок (развиваемых в СССР), только в случае успешного решения ряда сложных научных проблем, связанных с генерацией и использованием пара сверхкритических параметров, можно надеяться на КПД не более 46-49 %. Таким образом, по экономичности паротурбинные системы безнадежно проигрывают парогазовым.

Существенно уступают паротурбинные электростанции также по стоимости и срокам строительства. В 2005 году на мировом энергетическом рынке цена 1 кВт на ПГУ мощностью 200 МВт и более составляла 500-600 $/кВт. Для ПГУ меньших мощностей стоимость была в пределах 600-900 $/кВт. Мощные газотурбинные установки соответствуют значениям 200-250 $/кВт. С уменьшением единичной мощности их цена растет, но не превышает обычно 500 $/кВт. Эти значения в разы меньше стоимости киловатта электроэнергии паротурбинных систем. Например, цена установленного киловатта у конденсационных паротурбинных электростанций колеблется в пределах 2000-3000 $/кВт.

Установка включает три базовых узла: камеру сгорания и воздушный компрессор. Причем все агрегаты размещаются в сборном едином корпусе. Роторы компрессора и турбины соединяются друг с другом жестко, опираясь на подшипники.

Вокруг компрессора размещаются камеры сгорания (например, 14 шт.), каждая в своем отдельном корпусе. Для поступления в компрессор воздуха служит входной патрубок, из газовой турбины воздух уходит через выхлопной патрубок. Базируется корпус ГТУ на мощных опорах, размещенных симметрично на единой раме.

Принцип работы

В большинстве установок ГТУ используется принцип непрерывного горения, или открытого цикла:

• Вначале рабочее тело (воздух) закачивается при атмосферном давлении соответствующим компрессором.
• Далее воздух сжимается до большего давления и направляется в камеру сгорания.
• В нее подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении, обеспечивая постоянный подвод тепла. Благодаря сгоранию топлива температура рабочего тела увеличивается.
• Далее рабочее тело (теперь это уже газ, представляющей собой смесь воздуха и продуктов сгорания) поступает в газовую турбину, где, расширяясь до атмосферного давления, совершает полезную работу (крутит турбину, вырабатывающую электроэнергию).
• После турбины газы сбрасываются в атмосферу, через которую рабочий цикл и замыкается.
• Разность работы турбины и компрессора воспринимается электрогенератором, расположенным на общем валу с турбиной и компрессором.

Установки прерывистого горения

В отличие от предыдущей конструктивной схемы, в установках прерывистого горения применяются два клапана вместо одного.

• Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания через первый клапан при закрытом втором клапане.
• Когда давление в камере сгорания поднимается, первый клапан закрывают. В результате объем камеры оказывается замкнутым.
• При закрытых клапанах в камере сжигают топливо, естественно, его сгорание происходит при постоянном объеме. В результате давление рабочего тела дополнительно увеличивается.
• Далее открывают второй клапан, и рабочее тело поступает в газовую турбину. При этом давление перед турбиной будет постепенно снижаться. Когда оно приблизится к атмосферному, второй клапан следует закрыть, а первый открыть и повторить последовательность действий.

Переходя к практической реализации того или иного термодинамического цикла, конструкторам приходится сталкиваться с множеством непреодолимых технических препятствий. Наиболее характерный пример: при влажности пара более 8-12 % потери в проточной части резко возрастают, растут динамические нагрузки, возникает эрозия. Это в конечном счете приводит к разрушению проточной части турбины.

В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов.

Цикл Ренкина применяют для рабочих тел, которые в процессе реализации цикла совершают по такому циклу работают паросиловые установки. Для рабочих тел, которые не могут быть сконденсированы в реальных условиях и которые мы называем газами, применяют цикл Брайтона. По этому циклу работают газотурбинные установки и двигатели ДВС.

Используемое топливо

Подавляющее большинство ГТУ рассчитаны на работу на природном газе. Иногда жидкое топливо используется в системах малой мощности (реже - средней, очень редко - большой мощности). Новым трендом становится переход компактных газотурбинных систем на применение твердых горючих материалов (уголь, реже торф и древесина). Указанные тенденции связаны с тем, что газ является ценным технологическим сырьем для химической промышленности, где его использование часто более рентабельно, чем в энергетике. Производство газотурбинных установок, способных эффективно работать на твердом топливе, активно набирает обороты.

Отличие ДВС от ГТУ

Принципиальное отличие и газотурбинных комплексов сводится к следующему. В ДВС процессы сжатия воздуха, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания происходят в пределах одного конструктивного элемента, именуемого цилиндром двигателя. В ГТУ указанные процессы разнесены по отдельным конструктивным узлам:

• сжатие осуществляется в компрессоре;
• сгорание топлива, соответственно, в специальной камере;
• расширение осуществляется в газовой турбине.

В результате конструктивно газотурбинные установки и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам.

Вывод

С развитием малой энергетики, повышением ее КПД системы ГТУ и ПТУ занимают все большую долю в общей энергосистеме мира. Соответственно, все более востребована машинист газотурбинных установок. Вслед за западными партнерами ряд российских производителей освоили выпуск экономически эффективных установок газотурбинного типа. Первой парогазовой электростанцией нового поколения в РФ стала Северо-Западная ТЭЦ в Санкт-Петербурге.