Корж В.В. Газотурбинные установки

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ухтинский государственный технический университет

(УГТУ)

В. В. Корж

Газотурбинные установки

Учебное пособие

Ухта 2010

Учебное издание

Корж Владимир Васильевич

Газотурбинные установки

Учебное пособие

УДК [662.691.4.052+621.438.0837] (0758)

К 66

Корж, В. В.

Газотурбинные установки [Текст] : учеб. пособие / В. В. Корж. – Ухта : УГТУ, 2010. –

180 с., ил.

ISBN 978-5-88179-604-4

В учебном пособии рассмотрены тепловые и механические процессы, протекающие в

газовых турбинах и компрессорах. Приведена конструкция газотурбинной установки ГТК-

10-4, где указаны её основные узлы. Особое внимание уделено конструкции компрессора,

турбин, камеры сгорания; работе систем: маслоснабжения, автоматического регулирования и

уплотнения нагнетателя Н – 370 – 18 – 1.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и безотрывной формы обуче-

ния направления 130500 «Нефтегазовое дело» и специальности 130501 «Проектирование,

сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» по дисциплине «Га-

зотурбинные установки». Пособие составлено в соответствии с её рабочей программой на

основании государственного образовательного стандарта.

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом

Ухтинского государственного технического университета.

Рецензенты: Т. Т. Алиев, начальник ПОЭКС ООО «Газпром трансгаз Ухта», к.т.н.;

В. Т. Захаров, главный специалист ОП ЦОК ООО «Газпром трансгаз Ухта».

Редактор Л. А. Кокшарова

Технический редактор Л. П. Коровкина

ISBN 978-5-88179-604-4

План 2010 г., позиция 50. Подписано в печать 18.11.2010 г. Компьютерный набор.

Гарнитура Times New Roman. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 10,5. Уч.-изд. л. 9,5. Тираж 120 экз. Заказ № 247.

Ухтинский государственный технический университет.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.

Оглавление

Введение................................................................................................................... 5

Принятые сокращения ............................................................................................ 7

1. Принципиальные схемы газотурбинных установок........................................ 9

1.1 Газоперекачивающий агрегат: состав, виды приводов и

системы ГТУ ................................................................................................. 9

1.2 Принципиальные схемы ГТУ, их преимущества и недостатки............... 9

1.3 Основы термодинамики, теплотехники и рабочие процессы ГТУ.

Циклы ГТУ в P-V, T-S диаграммах .......................................................... 15

2. Осевые турбомашины ....................................................................................... 20

2.1 Осевой компрессор, назначение, типы, состав. Газовая динамика

осевого компрессора .................................................................................. 20

2.2 Газовая турбина

, назначение, классификация по принципам работы.

Основные узлы. Режимы работы. Газовая динамика турбины ............. 27

2.3 Система запуска ГТУ. Валоповоротные устройства (ВПУ) .................. 31

2.4 Турбодетандер. Назначение и режимы работы ....................................... 34

3. Топливная система ГТУ ................................................................................... 37

3.1 Назначение топливной системы и основные функции........................... 37

3.2 Горение топлива для газотурбинных установок. Физические и

химические процессы................................................................................. 37

3.3 Камера сгорания. Назначение, типы, коэффициент избытка

топлива. Основные узлы КС и рабочие процессы .................................. 40

3.4 Системы топливного, пускового и импульсного газа, назначение и

состав ........................................................................................................... 43

3.5 Способы регулирования ГТУ .................................................................... 46

3.6 Совмещённая характеристика осевого компрессора и

газовой турбины ......................................................................................... 47

4. Маслосистема газотурбинной установки ....................................................... 51

4.1 Система маслоснабжения ГТУ, ее состав, назначение, функции.......... 51

5. Центробежный нагнетатель ............................................................................. 53

5.1 Назначение центробежного нагнетателя, типы и состав........................ 53

5.2 Рабочая характеристика нагнетателя

, характерные точки и зоны.

Пуск нагнетателя ........................................................................................ 56

6. Конструкция газотурбинного двигателя ГТК-10-4........................................ 61

6.1 Технические данные двигателя ГТК-10-4, основные узлы .................... 61

6.2 Блок турбогруппы: передний блок, компрессор, турбины, рама-маслобак,

подшипник силового ротора, воздухоподогреватель ............................. 64

6.3 Камера сгорания.......................................................................................... 91

6.4 Маслосистема ГТК-10-4............................................................................. 96

6.5 Системы автоматического регулирования и защиты............................ 109

7. Нагнетатель...................................................................................................... 145

7.1 Конструкция нагнетателя......................................................................... 145

7.2 Система регулирования нагнетателя ...................................................... 147

8. Техническая эксплуатация ГТК-10-4 ............................................................ 152

8.1 Система технического обслуживания и ремонта ГТК-10-4 ................. 152

8.2 Особенности эксплуатации ГТК-10-4 при отрицательных

температурах............................................................................................. 153

8.3 Очистка ОК в процессе эксплуатации.................................................... 154

8.4 Пути совершенствования ГТУ ................................................................ 157

8.5 Современные ГПА, применяемые на компрессорных станциях ......... 159

Библиографический список................................................................................ 180

Введение

В настоящее время интенсивно развивается газодобывающий комплекс.

Вводятся в строй газовые месторождения, строятся новые магистральные газо-

проводы. Компрессорные станции для перекачки газа оснащаются современ-

ными мощными экономичными газоперекачивающими агрегатами (ГПА).

Важную роль в ГПА играют газотурбинные установки, к ним предъявляются

повышенные требования, основными из которых являются: большая мощность,

экономичность

(малый удельный расход топлива), компактность, ремонтопри-

годность и другие важные показатели.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энер-

гия топлива превращается в механическую энергию.

Один из самых распространенных двигателей – двигатель внутреннего

сгорания (ДВС), который устанавливается на автомобилях, самолетах, танках,

тракторах, моторных лодках. ДВС могут работать на жидком топливе (

бензин,

керосин и т. д.) или на горючем газе.

ДВС обладает рядом преимуществ (компактность, малая масса и др.), по-

этому получил широкое распространение. Недостатками ДВС являются:

– жидкое топливо должно быть высокого качества;

– невозможность получить малую частоту вращения (на малых оборотах

не работает карбюратор).

В конце XVIII века были созданы паровые

поршневые двигатели (паро-

вые машины). Через 100 лет появились паровые турбины. Для работы парового

двигателя требуется ряд машин и устройств, что создает ряд определенных

проблем.

Газотурбинная установка (ГТУ) – это тепловая лопаточная машина, пре-

образующая химическую энергию топлива, сжигаемого в потоке сжатого воз-

духа, в механическую работу на валу турбины. ГТУ могут

работать как на

жидком топливе (керосин, спирт), так и на газе, перекачиваемом ими.

Попытки создания газотурбинной установки прослеживаются в глубокой

древности.

Первым применил лопаточные машины известный изобретатель антично-

сти Архимед Сиракузский. Его водоподъемный «архимедов винт» – шнек, ис-

пользуемый в разных приложениях уже третье тысячелетие, не что иное, как

лопаточная машина.

Первой

лопаткой в истории было обыкновенное весло. Более совершен-

ный привод (и также для передвижения по воде) парус – та же лопатка, нахо-

дящаяся в воздушном потоке. Весло можно считать прототипом

нагнетающей (компрессорной) лопатки, а парус – пример предка турбинной

(приводной) лопатки.

Основы теории лопаточных машин как самостоятельной дисциплины за-

ложены российским академиком

Леонардом Эйлером, впервые описавшим ос-

новную схему их работы. В работах Леонардо да Винчи, Бернулли, Ньютона,

Лейбница и многих других ученых были достаточно хорошо разработаны осно-

вы гидростатики и подготовлен математический аппарат.

Первый газотурбинный двигатель был построен в России в 1897-1900 гг.

инженером флота П. Д. Кузьминским. Газотурбинная установка Кузьминского

состояла из поршневого компрессора, камеры сгорания и реактивной газовой

турбины.

В 1900-1904 гг. в Германии была испытана газотурбинная установка ин-

женера Штольце.

Ряд других инженеров из разных стран усовершенствовали ГТУ. Боль-

шое значение имели результаты

работ в 1937-1939 гг. венгерского инженера

Ендрассика. При испытании ГТУ мощностью 100 л. с. КПД установки со-

ставлял 21,2%. Эти данные позволили рассматривать такой вид двигателя как

перспективный.

В 1941 г. первый полет совершил самолет с газотурбинным (турбореак-

тивным) двигателем в СССР.

В последние годы имеются значительные достижения как в области аэро-

динамики турбомашин

, так и в разработке жаропрочных сталей и сплавов. Ус-

пех аэродинамики и металлургии позволили поднять тепловую экономичность

ГТУ до необходимого уровня и создать предпосылки для внедрения ГТУ в раз-

личные области народного хозяйства.

Автор выражает благодарность за оказанную помощь в подборе мате-

риала главному специалисту центра обучения кадров (ЦОК) В.

Т. Захарову; в

оформлении учебного пособия: доценту MIBI А. Э. Беляеву, студентам кафед-

ры ПЭМГ: А. И. Бойко, А. Ю. Михалеву, Д. И. Козлову.

Принятые сокращения

АБ – автомат безопасности.

АВО – аппарат воздушного охлаждения.

АМ – аккумулятор масла.

АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом.

ВВК – выпускной воздушный клапан.

ВЗК – воздухозаборная камера.

ВНА – входной направляющий аппарат.

ВОУ – входное очистительное устройство.

ВПУ – валоповоротное устройство.

ГВТ – газово-воздушный тракт.

ГГПА – газотурбинный газоперекачивающий агрегат.

ГМН (ГМНС) – главный масляный насос.

ГНС – главный насос смазки.

ГНУ – главный насос уплотнений.

ГПА – газоперекачивающий агрегат.

ГТД – газотурбинный двигатель.

ГТУ – газотурбинная установка.

Д – дроссель.

Дефект ПОР – дефект первоочередного ремонта.

ДКС – дожимная компрессорная станция.

ДПР – дефект, подлежащий ремонту.

ДРС – двигатель регулятора скорости.

ЗО – золотник отсечной.

ИНЖ – инжектор ГМНС.

КВД – компрессор высокого давления.

КИП и А – контрольно-измерительные приборы и автоматика.

КНД – компрессор низкого давления.

КОС – клапан обратный сдвоенный.

КПД – коэффициент полезного действия.

КР – капитальный ремонт.

КРД – камера (площадка) регулирования давления.

КС – камера сгорания.

КС – компрессорная станция.

КС ПХГ – компрессорная станция подземного хранилища газа.

КЦ – компрессорный цех.

ЛПДС – линейная производственно-диспетчерская станция.

МБ – маслобак.

МДП – местный диспетчерский пункт.

МИРТ – малоинерционный регулятор температуры.

МНУ – масляный насос уплотнения.

МО – маслоохладитель.

НИ – насос-импеллер.

НТД – нормативно-техническая документация.

ОК – осевой компрессор.

ОНА – обратный направляющий аппарат.

ОП – ограничитель приемистости.

ОП – опорный подшипник.

ПГПА (ГМК) – поршневой газоперекачивающий агрегат (газомотокомпрессор).

ПМН (ПМНС) – пусковой масляный насос.

ПНА – поворотный направляющий аппарат.

ПНС – пусковой насос смазки.

ППР – наработка ГПА или агрегата после последнего ремонта.

ПТБ – правила техники безопасности.

РД – регулятор давления.

РДП – районный диспетчерский пункт.

РК – регулирующий клапан.

РМНС – резервный масляный насос.

РР – регламентированный ремонт (для газоперекачивающих агрегатов).

PC – регулятор скорости.

САР – система автоматического регулирования.

САУ – система автоматического управления.

СБК – сбросные клапана.

СК – стопорный клапан.

СКЗ – среднее квадратическое значение.

СНЭ – наработка ГПА или агрегата с начала эксплуатации.

СР – средний ремонт.

СТ – свободная (силовая) турбина.

ТК – турбинокомпрессор.

ТВД – турбина высокого давления.

ТГДУ – торцовое газодинамическое уплотнение.

ТД – турбодетандер.

ТДП – территориальный диспетчерский пункт.

ТНД – турбина низкого давления.

ТО – техническое обслуживание.

ТОР – техническое обслуживание и ремонт.

ТР – текущий ремонт.

ФТО – фильтр тонкой очистки.

ЦБПО (БПО) – центральная база производственного обслуживания.

ЭГПА – электроприводной газоперекачивающий агрегат.

ЭМВ – электромагнитный вентиль.

ЭМП – золотник с электромагнитным приводом.

ЭХЗ – электрохимическая защита.

1 Принципиальные схемы газотурбинных установок

1.1 Газоперекачивающий агрегат: состав, виды приводов и систем ГТУ

Состав ГПА

1. Нагнетатель.

2. Привод.

3. Системы (обеспечивающие надежную и безопасную эксплуатацию на-

гнетателя с приводом).

Схема газоперекачивающего агрегата приведена на рис. 1.

Рис. 1. Газоперекачивающий агрегат

Н – нагнетатель

1.2 Принципиальные схемы ГТУ, их преимущества и недостатки

Структура парка ГПА ОАО «Газпром» приведена на рис. 2.

Из трех типов ГПА основным является газотурбинный тип.

Преимущества газотурбинных ГПА:

− большая мощность (на сегодня до 25 МВт);

− низкая стоимость удельной мощности;

− значительный ресурс (перспектива до 1 млн час.);

− высокая надежность;

−

оптимальная быстроходность, которая хорошо согласуется с необхо-

димой частотой вращения нагнетателей: (5000-10000) об/мин;

− простота регулирования нагрузки (изменением числа оборотов);

− высокая степень автоматизации (минимальный состав персонала КС);

− компактность и модульность конструкции авиационных и судовых

ГПА (возможность быстрого монтажа ГПА на открытой площадке).

Рис. 2. Структура парка ГПА ОАО «Газпром»

Основные недостатки электропривода:

− низкая частота вращения электромоторов (около 1500 об/мин. либо

около 3000 об/мин.) требует применения для привода нагнетателя до-

полнительного промежуточного редуктора;

− постоянная (фиксированная) частота вращения ограничивает возмож-

ности регулирования нагрузки нагнетателя изменением оборотов:

где n – частота вращения;

f – частота электросети (50 Герц либо 60 Герц);

m – число пар полюсов в конструкции электродвигателя;

−

необходимость близко расположенного мощного источника электро-

энергии (электростанции).

Основные недостатки поршневых ГПА:

−

большая масса и габариты;

−

значительный расход смазочного масла;

−

пульсации давления газа на входе и связанные с этим вибрации техноло-

гических трубопроводов.

Газотурбинная установка

ГТУ – тепловая лопаточная машина (рис. 3), преобразующая химическую

энергию топлива, сжигаемого в потоке сжатого воздуха, в механическую рабо-

ту на валу турбины и состоящая из:

компрессора;

камеры сгорания;

газовой турбины.