ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20-100 МВт КПД ГТУ достигает 20-30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

Газотурбинный двигатель (ГТД) - один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.

Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)

Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:

ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.

В камеру сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, назы­вают установками открытого цикла . Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:

1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;

2-3 – горение в камере;

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;

4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкну­тых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В ка­честве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воз­дух, а затем охлаждается в ох­ладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - охладитель; 5 - регенератор; 6 - аккумулятор воздуха; 7 - вспомогательный компрессор.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Описание технологической схемы установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения, состав топлива и средние удельные теплоемкости газов. Расчет теплового баланса печи и ее КПД. Оборудование котла-утилизатора.

курсовая работа , добавлен 07.10.2010


Определение горючей массы и теплоты сгорания углеводородных топлив. Расчет теоретического и фактического количества воздуха, необходимого для горения. Состав, количество, масса продуктов сгорания. Определение энтальпии продуктов сгорания для нефти и газа.

практическая работа , добавлен 16.12.2013


Назначение, устройство, составные части и принцип действие комплекса "Метан" как самостоятельной газовой защиты шахты. Проверка работоспособности оборудования. Измерение метана в атмосфере и срабатывание аппаратуры при превышении концентрации метана.

лабораторная работа , добавлен 15.10.2009


Каталитическое сжигание метана. Поиск методов снижения концентрации оксидов азота. Условия приготовления и исследование физико-химических характеристик палладиевого и оксидного катализаторов, нанесенных на ячеисто-каркасный металлический носитель.

дипломная работа , добавлен 19.12.2011


Устройство котла-утилизатора П-83. Порядок определения энтальпий газов и коэффициента использования тепла. Особенности расчета пароперегревателей, испарителей и экономайзеров высокого и низкого давления, а также дополнительного и кипящего экономайзеров.

контрольная работа , добавлен 25.06.2010


Анализ энергетического хозяйства цеха теплогазоснабжения ОАО "Урал Сталь". Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины. Автоматизация и механизация производственных процессов. Безопасность труда и экологичность.

дипломная работа , добавлен 17.02.2009


Технология производства серной кислоты и продуктов на ее основе. Разработка конструкции узлов котла-утилизатора. Механизация обслуживания и ремонтных работ участка котла-утилизатора. Разработка технологического процесса изготовления "барабана канатного".

дипломная работа , добавлен 09.11.2016

Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.

Газовая турбина, как и паровая, - это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое- либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины , в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора , засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело - горячий газ ; трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств , обеспечивающих использование тепла отходящих газов.

Рис. 124. Общий вид (а) и схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).

1 - компрессор низкого давления; 2 - воздухоподогреватель; 3 - ТВД; 4 - компрессор высокого давления; 5 - пусковая турбина; 6 - камера горения; 7 - форсунка; 8 - ТНД;

9 - воздухоохладитель; 10 - редуктор

Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная системы , подающие топливо в камеру горения и масло - в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного котла.

Устройство газовой турбины аналогично паровой турбине. Но газовая турбина испытывает более высокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650-850°), в то время как температура рабочего пара 400- 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).

В ГТУ с камерой горения (рис. 124) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого нагрузки: давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения.

Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.

Рис. 125. Общий вид (а) и схема СПГГ (б).

1 - впускные клапаны компрессора; 2 - выпускные клапаны компрессора;

3 - компрессорный поршень; 4 - цилиндр компрессора;

5 - впускные окна; 6 - выпускные окна; 7 - форсунка; 8 - рабочий цилиндр; 9 - буферный цилиндр; 10 -буферный поршень; 11 - ресивер продувочного воздуха; 12 - рабочий поршень; 13 - механизм синхронизации работы поршней

ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ) (рис. 125) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.

Рис. 126. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ.

1 - СПГГ; 3 - газовая турбина; 3 - редуктор; 4 - дизель-генератор

Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре.

В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр.

Избыточный продувочный воздух смешивается с горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине.

При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.

ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16-24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 126). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5-4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340-380 г/кВт∙ч).

Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.

Современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Турбина, в которой газ расширяется до атмосферного давления, преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры газа в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.

В отличие от паротурбинных установок (ПТУ), где рабочим телом является пар, ГТУ работают на продуктах сгорания топлива. Кроме того, в отличие от ГТУ в состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ же наоборот камера сгорания является ее неотъемлемой частью. В этом смысле ГТУ самодостаточна. По способу подвода теплоты при постоянном давлении p = const и при постоянном объеме v = const . Все современные ГТУ работают с подводом теплоты при p = const . Существуют открытые (разомкнутые) и закрытые (замкнутые) схемы ГТУ

Простейшая схема открытой ГТУ в условных обозначениях, а также ее термодинамический цикл представлены на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора (точка 1 ), который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором к давлению перед нимназывается степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания (точка2 ). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подводится топливо (газ или жидкое топливо), за счет сжигания которого при постоянном давлении p = const образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рисунок 1 – Простейшая схема открытой ГТУ и ее термодинамический цикл

Рабочие газы с давлением из–за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины (точка3 ), где расширяются практически до атмосферного давления (точка4 ). Далее они поступают в выходной диффузор, откуда – или сразу в дымовую трубу, что вызовет значительные потери теплоты, или предварительно в какой–либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.

В замкнутой схеме (рис.2) вместо камеры сгорания применяют поверхностные подогреватели рабочего тела, а отработавший в турбине газ (например, гелий) охлаждается в специальных охладителях до наиболее низкой температуры, после чего поступает в компрессор. Термодинамический цикл данной схемы аналогичен циклу открытой ГТУ.

Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Значительная ее часть тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Эту часть называют полезной мощностью ГТУ и указывают при ее маркировке.

В реальных ГТУ все протекающие процессы сопровождаются потерями работы в компрессоре и турбине, а также потерями давления по тракту ГТУ. С учетом этих потерь реальный цикл отличается от идеального. В состав реальной ГТУ входят камера сгорания (подогреватель рабочего тела в закрытой схеме), газовая турбина, компрессор, пусковой двигатель, теплообменники различного назначения (регенеративные подогреватели, промежуточные подогреватели в турбинах) и различное вспомогательное оборудование, а также электрогенератор, если назначением ГТУ является производство электрической энергии. Турбина, компрессор и генератор размещаются на одном валу. Пусковой двигатель присоединяется расцепной муфтой. В простейших ГТУ приблизительно 70 % мощности, развиваемой турбиной, расходуется на привод компрессора, а 30 % на привод генератора. Степень повышения давления в компрессоре =6…7, КПД установки 24…27 %, температура перед турбиной 750…800 °С. Диапазон начальных температур перед газовой турбиной в ГТУ составляет 750…1150 °С, поэтому исходя из условий прочности, элементы установки, работающие при высоких температурах, выполняют из высоколегированных сталей, а для повышенной надежности предусматривают их воздушное охлаждение.

Рисунок 2 – Простейшая схема замкнутой ГТУ

Отработавшие газы турбины имеют высокую температуру, поэтому их удаление в окружающую среду в открытой схеме ГТУ приводит к значительным потерям энергии. В целях повышения КПД установки применяют регенеративный подогрев сжатого воздуха уходящими газами турбины. Это увеличивает степень использования теплоты сожженного в камере сгорания топлива и энергетическую эффективность установки.

В идеальной ГТУ с регенерацией, схема и цикл которой показаны на рисунке 3, выхлопные газы турбины можно охладить до температуры, равной температуре воздуха за компрессором, т.е. до , а сжатый компрессором воздух можно нагреть до температуры, соответствующей температуре на выхлопе турбины, т.е. до. В реальной установке воздух в регенеративном теплообменнике нагреется до температуры, которая ниже, а выхлопные газы охладятся в этом же теплообменнике до температуры, которая вышена величину, обычно равную в открытых схемах 60…80 °С. Реальные ГТУ, работающие по разомкнутой схеме при начальной температуре 750…850 °С, имеют степень регенерации, а эффективный КПД 26,5…30 %.

Рисунок 3 – Схема и цикл ГТУ с регенерацией

ГТУ, обеспечивающие комбинированную выработку электрической и тепловой энергии, называются теплофикационными. Выработка тепловой энергии осуществляется за счет использования теплоты газов, уходящих из турбины с высокой температурой, для нагрева воды и получения пара. Нагрев воды, идущей на отопление и бытовые нужды, отработавшими газами турбины является наиболее простым способом повышения тепловой экономичности ГТУ.

В ГТУ применяется газообразное и легкое жидкое топливо. При использовании жидкого топлива тяжелых сортов, содержащего вредные примеси, нужна специальная система топливоподготовки для предотвращения коррозии деталей турбины под воздействием содержащихся в тяжелом топливе соединений серы и ванадия. Проблема использования твердого топлива в ГТУ находится в стадии интенсивной опытно-промышленной разработки.

Технология пуска турбины в большой степени зависит от температурного состояния оборудования перед ним. Различают пуски из холодного, неостывшего и горячего состояний. Если температура турбины не превышает 150 °С, то считают, что пуск произведен из холодного состояния. Для мощных энергоблоков для остывания до такой температуры требуется до 90 часов. Пускам из горячего состояния соответствует температура турбины 420-450 °С и выше (достигается за 6-10 часов). Неостывшее состояние является промежуточным. Всякое удлинение пуска приводит к дополнительным затратам топлива. Поэтому пуск должен производиться быстро, однако не в ущерб надежности. Пуск турбины запрещается:

при неисправности основных приборов, показывающих протекание теплового процесса в турбине и ее механическое состояние (тахометры, термометры, манометры и т.п.);

при неисправной системе смазки, обеспечивающей смазку подшипников;

при неисправности систем защиты и регулирования;

при неисправном валоповоротном устройстве.

Для запуска в работу ГТУ необходимо пусковым устройством (ПУ) привести во вращение ротор турбокомпрессора, воздух от компрессора одновременно с топливом подать в камеру сгорания для ее зажигания и для выполнения дальнейших операций по пуску ГТУ. В качестве пускового устройства могут быть использованы различные средства: электродвигатель, паровая или газовая (воздушная) турбина, двигатель внутреннего сгорания. Для крупных энергетических турбин, как правило, в качестве ПУ используется собственный электрический генератор ГТУ, разворачивающий ротор ГТУ до частоты вращения равной 0,2 – 0,3 номинальной. В период пуска регулирующие направляющие аппараты компрессора должны быть прикрыты для снижения расхода воздуха. В начале пуска открыты антипомпажные клапаны. Топливо подается в камеру сгорания, и образующаяся в смесительном устройстве камеры сгорания топливовоздушная смесь зажигается при помощи запального устройства (плазменного зажигателя). Расход топлива увеличивается путем открытия топливного клапана. Это вызывает рост температуры газов перед турбиной, мощность турбины и частота вращения ротора. При определенной температуре газа перед турбиной и некоторой частоте вращения устанавливается равенство мощности газовой турбины и мощности, потребляемой воздушным компрессором. В этом состоянии после небольшого дополнительного увеличения расхода топлива пусковое устройство отключается, и ГТУ переходит в режим самоходности. При дальнейшем увеличении расхода топлива турбоагрегат разворачивается газовой турбиной до достижения номинальной частоты вращения, затем производится синхронизация электрического генератора с сетью и включение его в сеть. Таким образом агрегат выводится в режим холостого хода. В процессе пуска антипомпажные клапаны закрываются, а регулируемые направляющие аппараты устанавливаются в положения, предписываемые программой запуска.

В процессе нагружения ГТУ до номинальной мощности увеличивается расход топлива открытием регулирующего клапана, изменяются углы установки регулируемых направляющих аппаратов компрессора по соответствующей программе, расход воздуха увеличивается до номинального значения. Эксплуатация ГТУ в общем случае состоит из пуска, работы с электрической и тепловой нагрузкой и остановки. Наиболее простой является работа при постоянной нагрузке. Основной задачей персонала, обслуживающего турбоустановку, при нормальной работе является обеспечение заданной электрической и тепловой мощности при полной гарантии надежной работы и максимально возможной экономии.

Режимы работы ГТУ можно поделить на стационарные и переменные.

Стационарный режим отвечает работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке. Он может протекать как при номинальной, так и при частичной нагрузке. До недавнего времени этот режим был основным для ГТУ. Турбина останавливалась несколько раз в год из-за неполадок или плановых ремонтов.

Переменные режимы ГТУ определяются следующими по отношению к ГТУ причинами. Первая причина – необходимость изменить мощность, вырабатываемую ГТУ, если изменилась мощность, потребляемая, например, электрическим генератором, из-за изменения подключенной к генератору электрической нагрузки потребителей. Если ГТУ приводит электрический генератор, включенный параллельно с другими производителями мощности, т.е. работающий на общую сеть (энергосистему), то необходимо изменить мощность данной ГТУ в случае изменения общей потребляемой мощности в системе. Вторая причина – изменение атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, забираемого компрессором. Наиболее сложным нестационарным режимом является пуск ГТУ, включающий многочисленные операции перед толчком ротора. К нестационарным режимам относят резкие изменения нагрузки (сброс или наброс), а также остановку турбины (разгружение, отключение от сети, выбег ротора на остывание).

Таким образом, для ГТУ основной задачей управления является обеспечение необходимой мощности, а для энергетических ГТУ – постоянство частоты вращения приводимого электрического генератора. Переменные режимы работы ГТУ следует осуществлять таким образом, чтобы экономичность при каждом режиме была максимально высокой. Регулирование режима ГТУ производится воздействием на регулирующие топливные клапаны, подающие топливо непосредственно в камеру сгорания, что обусловливает низкую инерционность процесса подвода теплоты к рабочему телу в камере сгорания. ГТУ чувствительны к изменению атмосферных условий. Для них имеется опасность возникновения помпажа компрессора. Для пуска ГТУ необходимо, чтобы на всех возможных режимах работы помпаж был исключен. Для пуска ГТУ необходима предварительная раскрутка ротора при помощи пускового устройства.

В современных крупных ГТУ используются автоматизированные системы управления, выполняющие следующие функции:

– автоматическое дистанционное управление пуском, нагружением и остановкой ГТУ;

– регулирование таких параметров, как частота вращения турбоагрегата с заданной степенью неравномерности, температуры газа перед турбиной и за ней, активная нагрузка электрического генератора, режим работы компрессора на необходимом удалении от границы помпажа;

– защита ГТУ, а именно отключение и остановку при аварийных ситуациях, из которых наиболее серьезными являются такие, как недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение частоты ротора, недопустимое падение давления масла для смазки подшипников, недопустимый осевой сдвиг ротора, погасание факела в камере сгорания, приближение к границе помпажа компрессора, недопустимое повышение виброскорости шеек ротора и корпусов подшипников.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности ГТУ, называется отказом. Для поддержания высокой надежности и безотказности оборудование проходит техническое обслуживание, текущий, средний или капитальный ремонты. При текущем и среднем ремонтах заменяются или восстанавливаются поврежденные детали и узлы, а при капитальном проводится полное восстановление работоспособности. При нормальной эксплуатации ГТУ необходимы тщательный уход и регулярные проверки систем защиты и регулирования, осуществляемые вахтенным персоналом и инженером, отвечающим за работу этой системы. Надежность ее эксплуатации зависит от тщательности осмотра доступных узлов систем регулирования и защиты, сравнения текущих показателей приборов с предшествующими, выполнения всех проверок и операций, предусмотренных инструкциями, составленными с учетом требований заводов-изготовителей турбин правил техники эксплуатации (ПТЭ) и методических указаний по проверке и испытаниям. Особое внимание при осмотре должно уделяться потенциальным источникам утечек масла. Необходимо следить за положением гаек, стопорных деталей и другого крепежа на штоках, золотниках, поскольку эти детали работают в условиях вибраций, вызывающих их отвинчивание и нарушение работы. Необходимо следить за механическим состоянием всех доступных узлов: кулачковых механизмов, их валов, подшипников, пружин и т.д. Особое внимание следует обращать на колебания регулирующих органов, которые могут вызвать обрыв приводных штоков вследствие усталости. Необходимо следить за изменениями давлений и пульсациями в основных маслопроводах систем регулирования и защиты: линии подачи масла на смазку, в импульсных линиях, линиях защиты и полостях сервомоторов. Изменение этих давлений свидетельствует о ненормальностях системах регулирования, маслоснабжения: о неплотности клапанов, уплотнений поршней и штоков сервомоторов, засорении регулировочных шайб. Пульсации золотников вызываются ненормальной работой импеллера, загрязнением маслопроводов, попаданием твердых частиц между золотниками и буксами, повышенным содержанием воздуха в масле и другими причинами.

Первейшее внимание обслуживающего персонала должно быть уделено исключению возможности разгона турбины при отключениях электрического генератора от сети, что обеспечивается достаточной плотностью стопорных и регулирующих клапанов и обратных клапанов на трубопроводах. Проверка производится при остановке турбины не реже одного раза в год, а также в обязательном порядке при пуске после монтажа. Для нормальной работы турбины должен правильно функционировать масляный бак, обеспечивая длительную сохранность масла, отделение от него воздуха, шлама и твердых частиц. Уровень масла в баке должен проверяться 1 раз в смену. Одновременно необходимо следить за исправностью сигнализации о минимально допустимом уровне и разностью уровней в грязном и чистом отсеках масляного бака. Должны подвергаться регулярной проверке резервные и аварийные масляные насосы и устройства их автоматического включения с частотой 2 раза в месяц. Качество работы маслоохладителей проверяется по разности давлений на входе и выходе масла и охлаждающей воды и по нагреву охлаждающей воды и охлаждению масла. Химическая лаборатория электростанции должна регулярно проводить анализ эксплуатируемого масла, чтобы вовремя проводить его регенерацию и замену.

При наблюдении за работающей турбиной необходимо обращать внимание прежде всего на относительное удлинение ротора и его осевой сдвиг. При монтаже и ремонтах турбины ротор в корпусе устанавливают так, чтобы в рабочих условиях, когда эти детали прогреются, между ними были достаточно малые, но исключающие задевания зазоры, иначе может возникнуть тяжелая авария.

Разгружение турбины ведут путем постепенного закрытия регулирующих клапанов (с помощью механизма управления). Особенно внимательно нужно следить за относительным сокращением ротора, и если, не смотря на все принимаемые меры, сокращение приближается к опасному пределу, необходимо прекратить разгружение, а возможно, даже увеличить нагрузку. Снижение нагрузки обычно ведут до 15-20 % номинальной, после чего прекращают подачу газа в турбину. С этого момента она вращается генератором с частотой электрической сети. В короткое время, указанное в инструкции (обычно несколько минут), необходимо убедиться, что стопорные, регулирующие клапаны на линиях отборов закрылись, а ваттметр показывает отрицательную мощность (потребление мощности из сети).После этого можно отключить генератор из сети. После остановки ротора турбины необходимо во избежание его теплового прогиба немедленно включить валоповоротное устройство. Не допускается отключение подачи масла. В течение первых 8 часов ротор вращается непрерывно, а в дальнейшем его периодически поворачивают на 180°. Аварийная остановка турбоагрегата производится путем немедленного прекращения подачи рабочего тела.

За остановленной турбиной необходим тщательный уход. Наибольшую опасность при простое для турбины и некоторых других элементов турбоустановки представляет стояночная коррозия, основной причиной которой является одновременное присутствие влаги и воздуха. Чтобы этого не происходило, необходимо открыть вентили, обеспечивающие сообщение деталей с атмосферой. При остановке турбины в длительный резерв принимаются дополнительные меры. Она отключается от всех трубопроводов заглушками. Вал турбины дополнительно уплотняется шнуром, через подшипники не реже раза в неделю прокачивается масло для создания защитного слоя масла на шейках подшипников, а ротор поворачивается валоповоротным устройством на несколько оборотов. Наиболее эффективным способом борьбы со стояночной коррозией является консервация турбины.

Сборка ГТУ производится на турбинном заводе после изготовления в его цехах отдельных деталей и узлов. В отличие от паровой турбины, после сборки на заводе ГТУ испытаний не проходит. В результате с турбинного завода на монтажную площадку ТЭС уходит несколько отдельно транспортируемых единиц: турбогруппа (компрессор и турбина), две камеры сгорания, маслобак с установленным на нем оборудованием, входной патрубок компрессора, выходной диффузор. Все части закрыты заглушками. В отличие от паровой турбины, ГТУ размещают на ТЭС не на рамном фундаменте, а непосредственно на бетонном основании, установленном на нулевой отметке машзала. Входную шахту компрессора посредством воздушного короба соединяют с КВОУ, где происходит тщательная фильтрация воздуха, исключающая износ проточной части компрессора, забивание охлаждающих каналов в рабочих лопатках и другие неприятности. КВОУ размещают на крыше здания, экономя площадь здания. К выходному концу вала компрессора присоединяется ротор электрогенератора, а к выходному диффузору ГТУ – переходный диффузор, напрвляющий газы в котел-утилизатор.

ГТУ является универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Наибольшее распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ различного назначения. ГТУ пикового назначения работают в периоды максимума потребления электрической энергии. Резервные ГТУ обеспечивают собственные нужды ТЭС в период, когда основное оборудование не эксплуатируется. К отраслям промышленности, где применение газовых турбин создает большие преимущества, относится доменное производство, где ГТУ являясь приводом воздуходувки, подающей воздух в доменную печь, использует в качестве рабочего тела доменный газ, являющийся побочным продуктом доменной печи. На железнодорожном транспорте газотурбинные локомотивы (газотурбовозы) получили некоторое применение на линиях большой протяженности. Ряд ГТУ эксплуатируется в торговом и военно-морском флоте в основном на легких и сторожевых быстроходных судах, где особое значение имеет компактность и малая масса двигателя.. Находится в стадии исследования экспериментальных образцов газотурбинный автомобиль. Лучшие экспериментальные двигатели по экономичности достигли уровня современных бензиновых автомобильных двигателей при меньшей массе.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Утилизация тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение

.

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

Камера сгорания

Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.