ГТУ. Область применения двигателя гту пту двс
 Скачать 120.5 Kb.
|
|
Газовая турбина представляет собой двигатель постоянного потока. Сжигаемое топливо добавляет тепло воздуху, сжимаемому компрессором, который затем увеличивается, расширяясь между лопастями турбины. Принцип работы газовой турбины был известен уже давно, но приложение в промышленности задерживалось по техническим причинам. Первые газовые турбины отличались несовершенством металла, который должен был противостоять высоким температурам. При несовершенных компрессорах затраты мощности на сжатие воздуха слишком велики и для их уменьшения необходимо уменьшать количество и давление воздуха сжимаемого компрессором. Сегодня газовые турбины являются универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Однако ГТУ достигли широкого применения не во всех областях, можно назвать лишь две области - авиацию и дальнее газоснабжение, где они получили преимущественное использование. На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ используют в качестве двигателей для привода газоперекачивающих агрегатов. Топливом служит природный газ, отбираемый от магистральной линии. Значительное количество газотурбинных установок работает в энергетике, металлургической и нефтяной промышленности. Возможность применения ГТУ для различных целей демонстрируется следующими данными: - Область применения двигателя ГТУ ПТУ ДВС; - Стационарная энергетика + + +; - Дальнее газоснабжение + - +; - Металлургическая промышленность (технологический процесс) + + -; - Нефтяная промышленность (технологический процесс) + - -; - Воздушный транспорт + - +; - Водный транспорт + + +; - Автомобильный транспорт + - +; - Железнодорожный транспорт + - +. Газовая турбина работает по следующему принципу: всасываемый воздух подается в компрессор, где он сжимается, а затем попадая в камеру сгорания - нагревается. Нагретый воздух затем расширяется и совершает работу, проходя через турбину. Около две трети этой мощности при этом идет на привод компрессора. Эффективность работы такой машины зависит, прежде всего, от температуры воздуха пред входом в турбину, вследствие чего возрастает работа расширения газа, поэтому необходимо попытаться использовать эту возможность, подняв температуру до максимума. Мощность машины, зависит также от степени повышения давления и КПД турбины и компрессора, а также от температуры атмосферного воздуха, поступающего в компрессор. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВЫЙ ТУРБИНЫ Принцип работы всех газовых турбин может быть проиллюстрирован на примере описания работы авиационной газовой турбины. Воздух всасывается и сжимается вращающимся осевым компрессором, затем поступает через горелку или в камеру сгорания, куда впрыскивается и где сгорает топливо. Горячий сжатый газ (по большей части воздух) расширяется, проходя через лопасти турбины. Турбина и компрессор находятся на одном валу, поэтому компрессор работает, получая привод от вращения турбины. Эта машина является авиационным турбореактивным двигателем, получившим широкое распространение в авиации за счет эффекта реакции потока выбрасываемых газов. расположение газовой турбины на валу. Это основная газовая турбина. Воздух всасывается, сжимается, нагревается и наконец, расширяется проходя через лопасти турбины. На одном валу могут быть две турбины, одна - основная, на одном валу с компрессором, где ее мощность полностью поглощается компрессором, другая, не связанная с компрессором используется для вращения пропеллера. Такая машина типична для авиационных турбо двигателей. ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВЫХ ТУРБИН Авиационная газовая турбина показала, необходимость своего существования. Газовые турбины используются в небольших количествах, в качестве генераторов мощности для портативных и резервных агрегатов, насосных и компрессоров. Значительное количество специально модифицированных устройств, используются для выработки электричества на стационарных заводах и станциях. На рисунке 4 показана авиационная газовая турбина фирмы Whitney, работающая со свободной турбиной, для автоматического производства мощности. Исчерпывать теперь устаревшие кипа завода, освободите разработку турбины нацеленную в поглощение целой газовой энергии. Основой для разработки больших газовых турбин, стали разработки для специализированных стационарных заводов. Камера сгорания была вынесена за установку, воздух и горячий газ поступали из компрессора к турбине газовая турбина и воздушный компрессор со множеством лопастей. Что позволяет в итоге получать значительную полезную мощность. Необходимо обратить внимание, на то что, в турбине имеются ступени из направляющих лопастей и рабочих лопастей. Направляющие лопасти переназначены для того, чтобы горячие газы или воздух не поступал против направления вращения лопастей. Газовая турбина не запускается сразу; до подачи топлива необходим холостой ход со скоростью, составляющей от 20 до 30% максимальной скорости вращения турбины. Это необходимо для того, чтобы обеспечить достаточное сжатие воздуха, чтобы при поступлении топлива мощность газовой турбины была такова, что позволило бы управлять компрессором и поддерживать повышенное ускорение. Для этих целей используется пусковой двигатель. Работа одновальной газовой турбины с "открытым циклом" проиллюстрирована на рисунке 5. Понятие "простая" подразумевает следующее: у нее нет теплообменника или регенератора; "открытый цикл" - воздух использованный, для привода турбины всасывается из атмосферы и выбрасывается в атмосферу после его использования. Для сравнения, при "закрытом цикле" можно повторно использовать тот же воздух. На рисунке 6 изображена газотурбинная установка "одновальная" - только с одним валом. Газовая турбина и компрессор располагаются конструктивно на одном валу. Большинство наиболее используемых газовых турбин работают по "открытому циклу" и являются одновальными. Газовые турбины имеют определенные характеристики, которые отличают их от других тепловых двигателей благодаря некоторым своими преимуществам и недостаткам: - малая масса, приходящаяся на единицу мощности. По сравнению с паротурбинными установками, газотурбинные отличаются значительно меньшими габаритами и малой массой, приходящейся на единицу мощности. Это - значимое преимущество со времен строительства первых газовых турбин, которые отличались меньшими размерами и для их установки необходимо было только легкое основание. - низкая стоимость установки. По сравнению с паровой турбиной, необходимые капиталовложения для выработки одной единицы мощности у газовой турбины меньше. Дело в том, что в стоимость газовой турбины входят функции, которые выполняет бойлер, паротурбинный генератор, конденсатор, подогреватель сетевой воды, теплофикационный подогреватель на паровой установке. - низкая стоимость эксплуатации. Отсутствие противодействия движению потока сводит к минимуму износ вращающихся частей турбины. Минимальный расход смазочного масла. Простота конструкции газовой турбины, позволила устранить многие вспомогательные устройства, необходимые в паротурбинных установках. Результатом этого являются более низкие эксплуатационные расходы на станциях. - минимальное количество воды, необходимое для охлаждения. Газовые турбины требуют минимум холодной воды и могут экономично работать в системе с закрытой циркуляцией, используя воздушное охлаждение в теплообменниках. Это делает газовые турбины идеальными для использования там, где вода, встречается редко или недоступна. - быстрый запуск. Газовая турбина может быть запущена почти немедленно. Пуск её не требует медленной и сложной подготовки, в которой нуждается паровая турбина поддерживающая поток с помощью генератора. Увеличение зазоров между лопастями газовой турбины по сравнению с паровой турбиной позволило ей загружаться более быстро. Эти соображения делают газовую турбину идеальной в качестве резервной установки, например, для привода пожарных насосов и аварийных электрогенераторов где необходимо сохранять постоянство скорости запуска или где управление работой установки осуществляется дистанционно средствами телеметрии. Они также хорошо приспосабливаются к механическому приводу для пиковых электрогенераторов. - низкая термическая эффективность. Это - большой недостаток газовой турбины. Термическая эффективность газовой турбины простого "открытого-цикла" - незначительна по сравнению с эффективностью паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания. Необходимо использование дополнительных установок, например, регенераторов, которые делают газовую турбину конкурентоспособной. - высокий уровень шума. Если не использовать специальные меры и устройства на пути выброса газов в атмосферу, то газовая турбина является шумной машиной. На следующих иллюстрациях дано описание устройств газовой турбины. На рис. 8 показана газовая турбина мощностью 45 кВт, используемая для привода водяного насоса. Узлы установки расположены так, что делают ее портативной. Одновальная газовая турбина мощностью 45 кВт имеет следующие характеристики: температура выхлопных газов - 590О C, масса - 50 кг, габаритные размеры: длина - 1 м, высота - 0.75 м и ширина - 0.75 м. Используемое топливо - дизельное топливо или керосин. Производительность насоса составляет 2270 л/мин при частоте вращения 3600 об/мин. Общая масса установки, включая водяной насос, составляет - 110 кг. Установка запускается вручную (используется стартовая ручка) и полная скорость действия достигается в течение нескольких секунд. Насос включается в работу посредством рычага, воздействующего на воздушный эжектор, приспособленный к корпусу насоса. Эжектор обеспечивает сжатие воздуха газовой турбины от 175 до 210 кПa, которая обеспечивает привод насоса за 25 секунд подачей 8 м. РЕГЕНЕРАЦИЯ Целью регенератора является улучшение эффективность цикла, которая достигается тем, что отработавший в турбине газ подогревает в регенераторе сжатый компрессором воздух перед поступлением его в камеру сгорания. Регенератор устанавливается по направлению потока после компрессора и перед камерой сгорания. Более эффективно компрессор работает с холодным воздухом. Тепло, отдаваемое уходящими газами, уменьшает потребность в топливе при заданной мощности установки В газовой турбине была сделана попытка объединить простоту паровой турбины с преимуществами двигателя внутреннего сгорания. Необходимо заметить, что газовая турбина классифицирована как двигатель внешнего горения, так как сжигание топлива организуется не в самой турбине. Газовая турбина действует таким образом: компрессор сжимает всасываемый воздух и под давлением подает его в камеру сгорания, где подводимое топливо сгорает для того, чтобы поднять температуру сжатого воздуха. Сопла позволяют преобразовывать высокое давление газа в скоростной поток, энергия потока поглощается ротором турбины, преобразовывая энергию во вращательное движение для получения необходимой мощности. Полное устройство газотурбинной установки содержит также вспомогательные системы смазки, топливной системы, пуска и ускоренного управления и контроля. Изучение газовой турбины начнем с изучения компрессора. Поскольку воздух является основным рабочим телом турбины, много зависит от эффективного функционирования воздушного компрессора. Компрессор сжимает воздух для обеспечения течения потока и энергии сжатия, которая необходима для расширения воздуха происходящее после прохождения через камеру сгорания. Компрессоры, используемые в газовой турбине, чаще всего бывают либо радиальными (центробежными), либо в осевом исполнении. Радиальные (центробежные) компрессоры Подача воздуха в эти компрессоры осуществляется с центра или "через глаз" ротора. Из-за высоких скоростей вращения ротора, воздух ускоряется между лопастями и за счет центробежных сил на краю ротора получает высокие скорости. Диффузор преобразовывает высокие скорости воздушного потока в энергию давления. Преимуществом радиального или центробежного компрессора является простота, прочность и небольшие габариты Осевые компрессоры В осевой компрессор поток воздуха поступает параллельно валу. Осевой компрессор внешне очень похож на ротор турбины с неподвижными фиксированными и подвижными лопастями, поступающий атмосферный воздух сжимается при выходе. Осевые компрессоры обычно более эффективнее, чем радиальные компрессоры, они обычно имеют значительно меньшие габаритные размеры и работают на более высоких скоростях. Материал компрессора Корпусы для промышленных газовых турбин обычно изготовляют из чугуна или алюминиевого сплава. Роторы делают из хорошей ферритной стали, а лопасти компрессора изготовляют из нержавеющей стали или сплава более высокого качества, содержащего ванадий или титан. Двухступенчатое сжатие Как в любой воздушной системе сжатия, если в процессе сжатия осуществляется отвод тепла, то работа затрачиваемая на сжатие соответственно уменьшается. Так как компрессор получает привод от ротора турбины, то это позволяет получить большую мощность на выходном вале турбины. По этой причине, двухступенчатое воздушное сжатие часто используется с в системах с промежуточным охлаждением. Камера сгорания Газовая турбина работает в термодинамическом цикле при постоянном давлении в течение, которого воздух сжимается, нагревается и расширяется. Наибольшую работу совершает воздух с более высокой температурой, по сравнению с воздухом с более низкой температурой, большая работа совершается воздухом в процессе расширения по сравнению с работой затрачиваемой на сжатие воздуха - разница между этими видами работ составляет полезную работу. В камеру сгорания попадает около 30% сжатого компрессором воздуха обеспечивая процесса горения топлива. Часть воздушного потока, проходящего через турбину, используется для охлаждения материала камеры сгорания и поддержания необходимой температуры газов в турбине. Многие камеры сгорания, получившие сегодня наибольшее распространение, обычно классифицированы как одно- или многокамерные. Однокамерные имеют одну горелку и свечу, а многокамерного типа могут иметь ряд горелок со свечами, детекторами пламени и пламяперекидными патрубками. Типичная камера сгорания показана на рисунке 5. Принцип работы камеры сгорания Подача топлива осуществляется в кольцевой коллектор для раздачи топлива, по всей окружности которого равномерно расположены газораздающие отверстия. По мере того как происходит зажигание смеси запальными свечами, пламя перекрестно перебрасывается по специальным пламяперекидным патрубкам. Все это происходит в доли секунды. Если стабильное горение подтверждается детекторами пламени, зажигание отключают. Изготовители газовых турбин требуют, чтобы практически любое жидкое топливо могло использоваться в камере сгорания с введением необходимых изменений в топливной системе. Конструкция камеры сгорания обеспечивает горение топлива при очень высокой температуре, при которой образуются оксиды азота, величина которых может быть сведена к минимуму за счет конструктивных особенностей камеры сгорания Турбины Газовые турбины работают как по реактивному принципу, так и по принципу импульса лопастей подобно тому, как работает паровая турбина. Как известно, давление частиц покидающих газовую турбину значительно меньше давления частиц развиваемых в паровой турбине, количество этапов использованных в газовой турбине также меньшее. Из-за более низких давлений в газовой турбине, необходим больший объем газа, а также увеличение проточная часть и более длинные лопасти. Роторы турбины - обычно бывают составными из дисков или колес надежно скрепленных вместе. Лопасти крепятся в пазах колес, в некоторых случаях, колеса турбины и лопасти изготовляют цельными ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ И ДРУГИЕ ДВИГАТЕЛИ Современные газовые турбины имеют большие перспективы по сравнению с другими двигателями по показателям потребления топлива, коэффициенту полезного действия и по габаритным размерам. Двигатели, действующие по циклу Отто - бензиновые двигатели, имеют КПД около 20 - 25%. Дизельный цикл имеет КПД около 30 - 35%, также как и паровые, работающие по циклу Ренкина. Газовая турбина, работающая по циклу Брайтона, имеет небольшой КПД, но является более эффективной, чем двигатели, работающие по циклу Отто. Ни один из двигателей не может сравниться с газотурбинным двигателем по геометрическим размерам, благодаря чему они получили преобладающее использование в авиации. Преимущества газовых турбин По сравнению с паротурбинной установкой, газовые турбины имеют различные преимущества: - Им необходимо меньшее количество воды для охлаждения. - Меньшие эксплуатационные затраты, так как паротурбинная установка имеет бойлер и многие вспомогательные устройства. - Начальные издержки у газовой турбины - меньше, так как не требуется бойлер и вспомогательные устройства для бойлера. - Поставка и время установки - значительно меньше, чем это необходимое для паровой турбины. - Небольшие габаритные размеры по сравнению с паротурбинной установкой, таким образом, необходимо значительно меньше пространства для ее размещения. - Газовая турбина может быстро запускаться (10 - 15 минут) и для запуска и управления может использоваться дистанционный контроль. Недостатки газовых турбин Есть также некоторые недостатки при сравнении газовой и паровой турбины: - Термическая эффективность газотурбинной установки ниже, чем у паротурбинной. - Дешевое топливо, такое как, каменный уголь, не может использоваться в газовых турбинах. - Во время работы газовые турбины значительно более шумные по сравнению с паротурбинными установками. - Огромное количества нагретого воздуха в газовых турбинах выбрасывается не используясь. Улучшение цикла Одним из недостатков газовой турбины является низкая термическая эффективность. Для увеличения термической эффективности требуются определенные дополнения или изменения в основной цикл. Регенерация Газы покидают турбину - с высокой температурой (450оC). Если часть тепла выхлопных газов передать сжатому воздуху перед входом его в камеру сгорания, то термический КПД повышается и требуется меньшее количество топлива для сжигания. Выполнить это позволяет теплообменник, называемый регенератором, который добавляется к основному циклу Регенератор чаще всего имеет оболочечную форму или бывает трубчатого типа, он может размещаться по ходу выхлопных газов турбины, как показано на Рисунке 6. Газы, выходящие из компрессора, входят в регенератор, где отдают свое тепло выхлопные газы, покидающие турбину. На рисунке 6, газы покидающие турбину передают тепло воздуху в регенераторе, при этом температура снижается с 450 0C до 260 0C. Воздух, входящий в регенератор с 200 0C температурой, выходит из него с температурой около 370 градусов зам счет тепла, полученного от выхлопных газов, покидающих турбину. Регенератор может восстановить до 75% тепла выхлопа и таким образом увеличивает термический КПД установки. Есть, тем не менее, некоторые недостатки в использовании регенератора. - На поверхностях, соприкасающихся с выхлопными газами, могут образовываться налеты от продуктов горения и углерода, которые должны время от времени очищаться. - Для обеспечения достаточной поверхности нагрева для передачи тепла и из-за большого объема выхлопных газов, регенератор может иметь большие габаритные размеры. - Из-за сил трения возникающих при прохождении через регенератор происходит падение давления, как выхлопных газов, так и рабочего тела. Это означает уменьшение давления в турбине и увеличение противодавления выхлопным газам турбины. В результате уменьшается работа расширения газа в турбине и, следовательно, уменьшается полезная работа. Двуваленное исполнение До сих пор были рассмотрены примеры простых одновальных газовых турбин, где турбина и компрессор были расположены вместе на одном валу. привод компрессора осуществляется турбиной высокого давления, в то время как привод турбины низкого давления осуществляется без механической связи между турбинами низкого и высокого давления. Преимуществом этого размещения является большая гибкость. Потребитель может обслуживаться и при изменении диапазона частоты вращения, даже если частота вращения компрессора остается постоянной. И наоборот, частота вращения у потребителя может быть постоянной, например как у генератора, в то время как частота вращения компрессора может изменяться. Также, турбина низкого давления может быть связана непосредственно с потребителем (например, генератором или газоперекачивающим агрегатом) без редуцирующего устройства. Другим преимуществом двуваленной конструкции является то, что для запуска установки необходим пусковой двигатель меньшей мощности, при этом для запуска необходимо только осуществить привод компрессора и турбины высокого давления. Промежуточное охлаждение и подогрев В некоторых установках, сжатие воздуха в компрессорах осуществляется в два этапа с промежуточным охлаждением между ними в охладителе. Если часть теплоты, полученной газом в результате сжатия передать охладителю до окончательного завершения процесса сжатия, тогда для окончательного сжатия воздуха требуется затратить меньшую работу. В результате, большая мощность турбина будет доступна для выходной загрузки. Другой причиной использования охладителя является то, что если охлаждение воздуха используется дополнительно с регенерацией, то степень использования теплоты отходящих газов повышается, улучшая общий КПД цикла. Преимуществом охладителя является и то, что объем рабочего тела уменьшается, ведя к уменьшению габаритных размеров установки. Охладитель конструктивно представляет собой такую же оболочку, как и трубчатый теплообменник регенератора. Охлаждение проходящего через трубки воздуха осуществляется подаваемой водой. В большинстве случаях воздух проходит через трубки, обтекаемые водой. Дополнительно к двухэтапному сжатию воздуха и промежуточному охлаждению, установка между этапами может содержать подогреватели, для увеличения работы расширения горячих газов на двух этапах. Сначала газы расширяются в турбине высокого давления, а затем уже подогретые поступают в турбину низкого давления, где также расширяются. Эффект этого подогревания состоит в увеличении энергетического содержания газов и в улучшении термического КПД цикла. В результате, для совершения работы необходимо меньшее количество сжатого воздуха. Подогревание осуществляется посредством сжигания топлива во второй камере сгорания, за счет использования избыточного содержания кислорода в газе, выходящем из турбины высокого давления. На рисунке 8 показана двувальная газотурбинная установка с промежуточным охлаждением, подогревом и регенерацией На ГТУ с промежуточным охлаждением, подогревом и регенерацией воздух сначала сжимается компрессором низкого давления, затем охлаждается, отдавая тепло, полученное при сжатии охладителю. Затем воздух для дальнейшего сжатия подается в компрессор высокого давление. Воздух из компрессора высокого давления поступает в регенератор, где нагревается за счет тепла газов выбрасываемых в атмосферу и подается в камеру сгорания высокого давления. Газ, который теперь также содержит продукты сгорания, выходя из камеры сгорания высокого давления, расширяется, проходя через турбину высокого давления и затем подогревается в камере сгорания низкого давления за счет сжигания топлива с избыточным содержанием кислорода в газе. Этот газ расширяется, проходя через турбину низкого давления. После выхода из турбины низкого давления, горячие газы поступают в регенератор, где отдают свое тепло. Сложный цикл Наибольшая эффективность достигается при объединении охладителя, регенератора и подогревателя в одной установке. Высокая стоимость топлива делать этот тип газового цикла турбины весьма привлекательным Совмещенная парогазовая турбина Высокое энергетическое содержание выхлопных газов турбины может использоваться различными способами для увеличения общего КПД силовой установки. Наиболее ярким примером, демонстрирующим это является подача в бойлером выхлопных газов покидающих турбину для выработки пара, используемого для вспомогательных производств. Другим методом использования выхлопных газов, содержащих при температуре 480 0C значительное количество избыточного кислорода является подогрев воздуха для печи бойлера. Для производства пара сжигаемое топливо может использоваться вместе с нагретым воздухом, содержащим избыточный кислород. Результаты улучшения цикла Газовые турбины простого цикла, состоящие из компрессора, камеры сгорания и турбины, располагаемые на одном валу, имеют наименьший КПД среди всех циклов; так как очень большая энергии, выбрасывается не используясь. Для улучшения термического КПД цикла, и снижения температуры выхлопных газов поднимают температуру воздуха, поступающего в камеру сгорания за счет использования регенератора. Это позволяет увеличить термический КПД вплоть до 10%. Подогрев может использоваться для поднятия температуры газов, проходящих между лопатками турбины. Это существенно не улучшает термический КПД, но допускает применение менее мощного компрессора, таким образом, создавая большую работу на дисководе. Промежуточное охлаждение пользуется преимуществом по сравнению с термодинамическим, потому что изотермическое сжатие газа требует меньшей работы, чем адиабатическое сжатие. При промежуточном охлаждении турбина поглощает меньше энергии, таким образом, больше работы оказывается доступной для внешнего использования. Тем не менее, тепло, переданное охладителю, должно быть замещено за счет последующего сжигания дополнительного топлива в камере сгорания. Несмотря на дополнительное топливо, есть значительный прирост эффективности промежуточного охлаждения. Турбина со сложным газовым циклом имеет более высокий термический КПД по сравнению с любой другой по выходу мощности на единицу воздушного потока. Как первичные двигатели, газовые турбины используются в области производства энергии для запуска электрических генераторов. Они также стали популярными в промышленности, где вырабатываемая энергия используется установками для других потребителей, например, пар бойлерных установок и отходящие газы могут использоваться для привода газовой турбины. Газовая турбина также очень популярна как вспомогательный двигатель для управления насосом, компрессором и другим оборудованием. Газовые турбины используются в качестве альтернативных приводов на заводах больших мощностей, атомных электростанциях для обеспечения почти мгновенной непредвиденной мощностью в случае отсутствия основной поставки электричества. Газовая турбина является идеальной для использования в качестве автоматического и дистанционно управляемого устройства, которая может приводится телефонным или радио каналом. Это делает идеальным использование газотурбинного привода для газовых компрессоров или водяных насосов в конвейерных системах. Комбинированные турбины парогазового цикла Для улучшения термического КПД, когда газовую турбину используется самостоятельно, газы, покидающие турбину, могут использоваться для производства пара. Пар подается в паровую турбину, которая управляет вторым электрическим генератором Применение комбинированного цикла позволяет поднять термический КПД до 44% при этом установка сохраняет различные преимущества перед простой паротурбинной установкой. Установка комбинированного цикла может быстро запускаться и отключаться. Для производства больших мощностей и повышения КПД с одной паровой турбиной могут использоваться несколько газовых турбин, что позволяет расширить диапазон загрузки (например, от 25% до 100%). Имеются и другие преимущества, вот некоторые из них: 1. Более быстрый запуск - полная загрузка может быть осуществлена в течение 30 минут. 2. Уменьшение потребности в воде на охлаждение на 67%. 3. Уменьшение загрязнения атмосферы оксидами азота. 4. Более низкая стоимость за выработанный киловатт электроэнергии. На условия работы турбины большое влияние оказывает изменение температуры рабочего воздуха, в частности его уменьшение и снижение атмосферного давления. Масса поступающего воздуха, протекающая через компрессор, камеру сгорания и турбину, очень сильно зависит от температуры воздуха. Возможности установки лучше реализуются при холодной погоде, когда увеличивается плотность воздуха, и большее количество воздуха попадает в турбину, увеличивая рабочее тело. Изменения атмосферного давления аналогично влияют на выходную мощность турбины. Турбина, действующая на уровне моря, будет работать с воздухом, имеющим большую плотность (большая рабочая масса) по сравнению с турбиной работающей в предгорье или в горах. Эффективное функционирование газовой турбины требует знаний по обслуживанию систем пуска (как ручного, так и автоматического), системы смазки, топливораздаточной системы и дополнительных систем привода газовой турбины и потребителя. Ручной запуск Пуск газовой турбины вручную требует включения вспомогательных систем и приведения всех взаимных блокировок в стартовую позицию. Это позволяет создать давление в системе смазки, управлять возбуждением в цепи и его передачей, управлять регулирующими дросселями, открывать клапана и заслонки. Затем может быть запущен двигатель. Процедура пуска любого специального двигателя зависит от требований изготовителя, но, в общем, для запуска вручную может быть следующей. Допустим, что все вспомогательные системы будут в порядке: 1. Включите пусковой двигатель (стартер) 2. Подожгите пусковое топливо пусковыми свечами при частоте вращения в об/мин, определенной изготовителем (вероятно будет выполнено автоматически). 3. Продолжайте увеличивать частоту вращения вала об/мин пока не загорится на пульте лампочка, сигнализирующая о том, что необходимая частота вращения вала достигнута. Подожгите основное топливо (вероятно будет выполнено автоматически). 4. Проверьте зажигание и если оно выполнено успешно, то пусть двигатель достигает скорости самоподдержения об/мин, погасите пусковые свечи, разъедините стартер. 5. Проверьте систему контроля температуры, температуру на входе в компрессор, давление на выходе компрессора, температуру выхлопных газов и работу других устройств и приспособлений, обеспечивающих безопасность. 6. Подключите турбину к потребителю. Автоматический запуск Почти все газовые турбины запускаются благодаря определенной последовательности процедур взаимной блокировки и управления, чтобы предохранить неправильное их функционирование в течение стартовой процедуры. Для этого есть важная причина. Газовые турбины развивают высокую частоту вращения об/мин и очень быстро запускаются. Если газотурбинная установка работает по сложному циклу, с многочисленными компрессорами и турбинами мощности, могут возникнуть весьма быстро различные непредвиденные для оператора обстоятельства, на которые он не сможет отреагировать, последовательность запуска показывается на рисунке 12. Прежде, чем нажать стартовую кнопку, необходимо включить вспомогательные системы, и систему взаимных блокировок, которые могут предотвратить пуск. Взаимные блокировки включат в себя следующие позиции: низкий уровень давления в системе смазки, управление системой зажигания, управление топливной системой и комплектом управляющих дросселей. После того, как эти функции вспомогательных систем управления удовлетворились, начинается запуск самой установки. Прокручивание вала обеспечивается стартовым устройством, которое может быть осуществлено управляемой подачей воздуха или электрическим двигателем. Раскрутка вала производится до появления индикации лампочкой на пульте управления, когда происходит зажигание. В этой точке, детекторы пламени проверяют, произошло ли зажигание топлива. Если зажигание поддерживается, то операции продолжаются или установка отключается, если пламя не горит. Запальные свечи втягиваются и стартовое устройство разъединяется. В этой точке, управление осуществляется в автоматическом режиме и турбину набирает достаточные обороты для условия загрузки.  Рисунок 12 Последовательность операций при автоматическом пуске a - Кнопка пуска b - Пуск системы масляного насоса c - Контроль работы d - Давление в масляной системе e - Пусковой двигатель f - Минимальная частота вращения вала об/мин g - Поджигание пусковых свечей (запальных) h - Зажигание лампы на табло о достижении необходимой скорости вращения вала i - Зажигание основного топлива j - Индикация о зажигании пламени k - Пламя не горит l - Пламя горит m - Турбина достигает скорости, при которой осуществляется ее эксплуатация n - Включаются функции автоматического управления o - Начинается отключение пусковых устройств p - Гашение запальных свечей и их вытягивание q - Подключение потребителя Неустойчивая работа (помпаж) Неустойчивая работа или помпаж может возникнуть во время запуска ГТУ. При низких скоростях вращения, в компрессоре количество засасываемого воздуха с увеличением противодавления уменьшается. Это вызывается тем, что скоростью воздуха проходящего через компрессор имеет слишком низкий уровень, что способствует неправильному попаданию воздуха на лопасти. В результате входной треугольник скоростей на лопатке существенно преображается. На выпуклой и на вогнутой поверхностях лопаток возникают срывы потока с образованием вихревых зон, интенсивность и зона распространения вглубь межлопаточных каналов зависят от величины и знака угла атаки. При этом уменьшается эффективное сечение потока, и мгновенно возрастают гидравлические потери в проточной части и давление, создаваемое компрессором, резко падает. Однако из-за инерции заполняющего сеть воздуха давление на входе в нее снижается не сразу, а остается в первый момент более высоким, чем-то, что может обеспечить компрессор. Вследствие этого появляется тенденция к течению воздуха в обратном направлении - из сети в компрессор с выбросом части его на вход в компрессор. При этом продолжается и истечение рабочего тела из полости за компрессором в расчетном направлении. Давление в полости за компрессором постепенно уменьшается и достигает того значения, при котором воздух из компрессора снова устремляется в сеть. В силу инерции потока воздуха его направление изменяется только после того, как давление на входе в сеть становится ниже давления, создаваемого компрессором. Компрессор вновь нагнетает воздух в сеть в количестве, превышающем ее пропускную способность. Вследствие возрастания противодавления в сети расход воздуха через компрессор уменьшается до значения, соответствующего равновесному режиму работы сети и компрессора, т.е. система возвращается в исходное состояние, при котором частота вращения постоянна, а расход воздуха уменьшен. При условии равенства подводимой и потребляемой энергии за период колебания цикл повторяется. Очевидно, чем больше емкость сети, тем продолжительнее процесс снижения и последующего восстановления давления воздуха перед сетью, меньше частота и больше амплитуда помпажных колебаний. При помпаже шум в компрессоре резко усиливается и приобретает вибрирующий характер. В воздушной системе слышатся хлопки и удары, возникает сильная тряска компрессора и связанных с ним элементов. Давление за компрессором понижается, показания манометров становятся неустойчивыми (приборы часто выходят из строя), передняя часть компрессора, обычно холодная, нагревается. Тряска и вибрация при помпаже нередко становятся причинами разрушения турбомашины, поэтому работа газотурбинных двигателей в зоне помпажа не допускается. Для того, чтобы предотвращать помпаж на пусковых режимах частично выпускают воздух на выходе из компрессора в турбину низкого давления. Автоматический выпуск воздуха осуществляется из удобной точки в компрессоре через управляемые клапаны, увеличивающие скорость потока компрессора. Отечественные ГТУ имеют специальное устройство, обеспечивающее беспомпажный режим работы при пуске, - ленту перепуска воздуха. При пуске она закрыта, и воздух после нескольких ступеней компрессора через расположенное в ней отверстие уходит в атмосферу. Это способствует устойчивой работе первых ступеней компрессора, в которых воздушный поток приобретает направленное безвихревое движение. При увеличении частоты вращения лента закрывается, и воздух поступает в камеру сгорания, и т.д. При подготовке к пуску по загоревшейся на пульте лампочке проверяют открытие ленты перепуска воздуха. Подобно большинству оборудованию вопросы эксплуатации газовых турбин можно разделить на три группы: регулярный осмотр, техническое обслуживание и ремонт. проточная часть компрессора. В проточной части компрессора необходима регулярная проверки и очистка каналов впуска и фильтров. Промывки лопастей компрессора и механическая очистка должна выполняться в промежутки времени определенные изготовителем. система топливоснабжения. Сита и фильтры системы снабжения установки топливом очищаются и при необходимости заменяются. Очистка топлива от загрязняющих веществ требует регулярного внимания. Для очистки топлива от соединений натрия или ванадия используется водная промывка, для уменьшения коррозионного воздействия на лопасти турбины в топливо вводятся дополнительные химические вещества - депрессаторы. Очистка должна выполняться с соблюдением технологии. система смазки. Система смазки требует наличия фильтров и сит, которые должны очищаться или заменяться при необходимости. На больших установках, масло для смазки должно быть проверено химиком-технологом производства на содержание в нем частиц износа металлов, и при необходимости заменяться. Изготовители турбины должны передать эксплуатирующей организации руководство по эксплуатации на использование смазочного масла, требования к его типу, качеству, содержанию загрязняющих веществ, очистке, которые должны строго выполняться. инструменты. Все преобразователи температуры и управления давлением, включая системы взаимной блокировки должно периодически проверяться и калиброваться. Обслуживание Задача обслуживания газовой турбины заключается в поддержании процессов горения. Эксплуатация включает также очистку и обеспечение нормальной работы горелок, особенно что касается нормальной подачи топлива. Тщательная проверка процесса сгорания пламени может показать нарушение процесса сжигания и его искажения. Должны проверяться также запальные свечи и тестироваться регулирующая редукционная шестерня. Эта проверка не должна выполняться при зажженных запальных свечах, так как газо-воздушная смесь является взрывоопасной. Во время обслуживания также может производиться тщательная проверка лопастей компрессора и секций силовой турбины, если эти устройства являются доступными. Ремонт Основными критериями для вывода турбины в ремонт являются: нарушения в исполнении, отказы узлов, требования безопасности или продолжительность эксплуатации. Проведение ремонта влечет за собой полную проверку следующих узлов: лопастей турбины и ротора, всех передач, компрессора, всех управляющих шестерен и оборудования, обеспечивающего горение. В коробке передач проверяется состояние зубцов сцеплений или их износ. Вспомогательные устройства, такие как, например, система смазки, система охлаждения и системы регулирования должны также проверяться, модернизироваться или подвергаться тщательному осмотру. Вопросы охраны окружающей среды Выхлопные газы всех двигателей содержат некоторое количество компонентов, которые загрязняют атмосферу. Если эти компоненты выбрасываются в большом количестве в течение длительного периода времени, тогда нарушаются требования стандартов на предельно-допустимое содержание этих компонентов в воздухе. Обычно, продукты выхлопа газовых турбин содержат следы угарного газа и двуокиси серы, но они могут также служить источниками образования оксидов азота и тепло- отходов (возникают в газах при высоких скоростях). Оператор должен поддерживать процессы сгорания в газотурбинной установке и использовать все необходимое оборудование, требующееся по нормам стандартов охраны окружающей среды. Для предотвращения или уменьшения шумового воздействия газовой турбиной может быть устроена акустическая изоляция или глушители выхлопных газов. Операторы должны обращать внимание на работу средств защиты от шума при запуске и эксплуатации газовых турбин. |