Корж В.В. Газотурбинные установки

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 37. Совмещенная характеристика ОК и ГТ ГТУ с разрезным валом

– степень сжатия компрессора;

– степень расширения турбины;

– приведенный температурный коэффициент;

– приведенный расход рабочего тела

4 Маслосистема газотурбинной установки

4.1 Система маслоснабжения ГТУ, её состав, назначение, функции

Газотурбинные ГПА со стационарными ГТУ имеют, как правило, общую

масляную систему для ГТУ и нагнетателя, использующую один тип масла.

ГГПА с транспортными ГТД – две масляные системы, а иногда даже три: для

ГТД, силовой турбины и нагнетателя.

В зависимости от назначения давление масла имеет следующие значения:

для смазки опорно-упорных подшипников 0,05-0,1 МПа (по манометру); для

опорных подшипников – 0,5-0,7 МПа; для уплотнений нагнетателя – 1,2-7 МПа

(в зависимости от схемы); для систем регулирования и защиты – 0,5-1,5 МПа.

Это влияет на сложность схемы маслоснабжения и число насосов.

Применяемые схемы отличаются большим разнообразием, но основным

требованием к ним является надежность маслоснабжения. Кроме этого, уст-

ройство масляной системы значительно влияет на пожаробезопасность агрега-

та. В общем случае масляная система ГГПА состоит из масляного бака или

рамы-маслобака, насосов, инжекторов, фильтров, охладителей масла, подогре-

вателя масла (перед запуском), органов гидравлического регулирования и за-

щиты, маслопроводов, различной арматуры (запорной, предохранительной,

регулирующей).

Маслосистема агрегата в общем случае функционирует следующим обра-

зом. Масло, забираемое из бака главным насосом, редуцируется регулятором

давления "после себя", охлаждается, фильтруется и с требуемым избыточным

давлением поступает на смазку подшипников и к насосам уплотнений.

Назначение маслосистемы – подача необходимого количества масла с за-

данными эксплуатационными свойствами и параметрами (вязкость, температу-

ра, давление) к потребителям и поддержание этих свойств и параметров в

допустимых пределах на всех режимах работы ГПА.

Потребителями масла являются:

− подшипники роторов;

− все зубчатые (шестеренчатые) и шлицевые соединения;

− гидроприводы узлов топливной системы и систем регулирования и

защиты.

Основные функции маслосистемы:

− смазка подшипников, зубчатых и шлицевых передач;

− охлаждение омываемых маслом деталей;

− вынос продуктов износа с трущихся поверхностей;

− суфлирование масляных полостей подшипников;

− обеспечение работы гидравлических приводов узлов топливной системы

и систем регулирования и защиты;

− обеспечение масляного уплотнения вала нагнетателя;

− диагностика состояния узлов трения (осмотр фильтров, отбора масла

еженедельно для определения наличия содержания частичек трущихся

деталей ГТУ и соответствия вязкости масла).

Для оценки работоспособности жидких высоковязких масел существуют

следующие показатели: сопротивление нагрузкам на поверхностях трения; из-

носостойкость; выдавливаемость смазочного материала; толщина смазочной

пленки; температура в зоне трения узла; содержание механических примесей в

пробах смазочного материала.

По своему типу маслосистемы всех ГПА – циркуляционные под давлени-

ем, то есть из-за маслобака ГПА масло подается нагнетающими насосами в сис-

тему, после чего возвращается обратно в маслобак.

Потребная прокачка масла через маслосистему определяется количест-

вом тепла, которое необходимо отвести от трущихся деталей: подшипников,

шестерен и т. д.

Большое значение имеет тип и качество применяемого масла. Эксплуа-

тация ГПА допускается только на тех сортах масла, которые разрешены заво-

дом-изготовителем: ТП-22П, МС-8П.

Состав маслосистемы:

− маслобак;

− маслонасосы пусковые (с электроприводом) и основные (с приводом от

ротора турбокомпрессора), резервные с электроприводом двухступен-

чатые, импеллер (с приводом от ротора турбокомпрессора), маслонасо-

сы уплотнения (с электроприводом);

− регулятор давления, инжектор, фильтры, маслоохладитель, подогрева-

тель;

− редукционные клапаны (для регулирования давления масла в системе,

регулирующие дроссели);

− блоки маслофильтров (для обеспечения чистоты масла);

− маслоохладители (аппараты воздушного охлаждения масла – для под-

держания температуры масла в допустимых пределах);

− датчики и сигнализаторы давления и температуры масла;

− запорная арматура.

Вопросы для самопроверки

1. В чем значения масла в зависимости от назначения?

2. В чем назначение маслосистемы?

3. Какие существуют потребители масла?

4. В чем основные функции маслосистемы?

5. Из чего состоит маслосистема?

5 Центробежный нагнетатель

5.1 Назначение, типы, состав

Центробежный нагнетатель предназначен для сжатия природного газа,

транспортируемого по магистральным газопроводам при температуре газа до

минус 15

С и воздуха до минуса 50

С.

Типы нагнетателей:

– объёмного типа (поршневые);

– кинетического сжатия.

Нагнетатель – центробежная компрессорная машина со степенью повы-

шения давления более 1, 1-1, 15.

– при степени сжатия менее 1, 1 – вентилятор.

Классификация нагнетателей

По числу ступеней:

– одноступенчатые;

– многоступенчатые (в основном 2-х ступенчатые).

По перепаду давления:

– неполнонапорные (степень сжатия до 1,25);

– полнонапорные (степень сжатия 1,25-1,5).

По конструкции корпуса:

– однокорпусные (с консольным расположением вала и глухой торцевой

крышкой);

– двухкорпусные (с горизонтальным или вертикальным разъемом корпуса).

По типу привода:

– поршневой (газомоторный);

– электрический;

– газотурбинный.

Все двухступенчатые нагнетатели – полнонапорные, большинство –

двухкорпусные. Все одноступенчатые, как правило, неполнонапорные,

одно-

корпусные, с торцевыми крышками.

Состав нагнетателя

Принципиальная схема проточной части любого нагнетателя содержит

следующие основные узлы:

1. Конфузор входной (для ускорения потока газа с целью его безударного

входа в рабочее колесо). Его роль – сужение подводящего трубопровода перед

входным фланцем нагнетателя.

2. Улитка – преобразует радиальный поток газа (на входе) в кольцевой

для подвода к рабочему колесу.

3. Рабочее колесо (ротор) – единственный вращающийся узел нагнетате-

ля, который своими лопатками передает кинетическую энергию потока газа.

Возможные схемы центробежных рабочих колес приведены на рис. 38.

4. Диффузор – преобразует кинетическую энергию газа (высокую абсо-

лютную скорость газа на выходе из рабочего колеса) в давление (примерно 30%

всего прироста

давления в нагнетателе).

5. Опоры ротора.

В качестве опор ротора нагнетателя используются подшипники скольже-

ния. Принцип работы заключается в создании подъемной силы в масляном

слое, разделяющем поверхности трения вследствие вращения вала, то есть в

создании так называемого масляного клина. Для повышения надежности рабо-

ты подшипники скольжения делают многоклиновыми, с несколькими

самоуста-

навливающимися опорными сегментами (как правило, с пятью) равномерно

расположенными по окружности. Это увеличивает виброустойчивость под-

шипника и увеличивает его устойчивость к перекосам оси ротора. Корпус под-

шипника имеет разъём в горизонтальной плоскости. Рабочие поверхности

опорных сегментов залиты легкоплавким сплавом на основе олова или свинца

(баббитом).

Для фиксации ротора нагнетателя

в осевом направлении и восприятия

осевых сил предназначен упорный подшипник скольжения с вертикально распо-

ложенными упорными пакетами, в которых размещены упорные колодки. Кор-

пус подшипника и пакеты также имеют горизонтальные разъёмы.

Температура масла на входе в подшипники + (20-45)

С.

Температура масла на сливе из подшипника не более + 70

С.

Аварийная температура + 85

С.

Давление масла (1,6-2,0) кг/см

Аварийное давление 0,8 кг/см

Ограничение температуры масла на сливе вызвано низкой температурой

плавления баббитового слоя на рабочих поверхностях опорных и упорных колодок.

Рис. 38. Возможные схемы центробежных рабочих колес

Повышение давления в центробежном колесе

1. Статический диффузорный эффект: давление газа повышается и в ра-

бочем колесе и в диффузоре вследствие уменьшения относительной скорости

W (на рабочем колесе) и уменьшения абсолютной скорости С (в диффузоре).

2. Центробежный эффект: связан с возникновением центробежной си-

лы, которая возникает при вращении рабочего колеса.

Принцип повышения давления в центробежном колесе

Принцип повышения давления в центробежном колесе приведен на

рис. 39.

Улитка – преобразует осевой поток газа в радиальный для подвода к ра-

бочему колесу.

Рабочее колесо – единственная деталь нагнетателя, которая своими ло-

патками передает кинетическую энергию потоку газа.

Диффузор – преобразует кинетическую энергию газа (высокую абсолют-

ную скорость газа на выходе из рабочего колеса) в давление: примерно 30%

всего роста давления. Газ сжимается и в рабочем колесе и в диффузоре вслед-

ствие уменьшения относительной скорости W (на рабочем колесе) и уменьше-

ния абсолютной скорости С (в диффузоре).

Рис. 39. Принцип повышения давления в центробежном колесе

Вопросы для самопроверки

1. В чем назначение нагнетателя?

2. Как классифицируются нагнетатели?

3. Из чего состоит нагнетатель?

4. Как повышается давления в центробежном колесе?

5. В чем заключен принцип повышения давления в центробежном колесе?

5.2 Рабочая характеристика нагнетателя, характерные точки и зоны.

Пуск нагнетателя

Рабочая характеристика нагнетателя приведена на рис. 40.

Характерные точки и зоны нагнетателя:

− нулевая точка;

− зона критической точки;

− нерабочая левая ветвь;

− рабочая зона;

− зона низких степеней сжатия.

Рис. 40. Рабочая характеристика нагнетателя

1. Рабочая зона нагнетателя расположена справа от 10%-линии по оси

объемной производительности, то есть выше минимально допустимой произво-

дительности

min

до

min

Именно эта зона дается в технической документации изготовителя нагне-

тателя как его характеристика. Однако это не означает, что режимов нерабо-

чей зоны не существует.

В рабочей точке расход нагнетателя равен расходу потребителя, а пере-

пад давления в нагнетателе (степень повышения давления) равен газодинами-

ческому сопротивлению сети (магистрального газопровода). Зависимость

между перепадом давления и объемной производительностью нагнетателя об-

ратно пропорциональная, то есть нагнетатель не может одновременно увели-

чить (уменьшить) оба этих параметра.

2. Критическая точка с зоной помпажа.

Если расход газа в сети постоянно уменьшается, то рабочая точка нагне-

тателя все дальше смещается вверх, приближаясь к критической точке. Когда

рабочая точка подойдет к точке соответствующей

min

(

min

∆

= десятым или со-

тым долям атмосферы), становится возможным пульсирующий режим работы

то в правой, то в левой частях характеристики относительно критической точ-

ки: при одинаковом перепаде давлений в этих режимах производительность

резко изменяется, что приводит к пульсирующему изменению скоростей входа

и выхода на рабочем колесе – турбулизации потока, к возникновению значи-

тельных инерционных и динамических нерасчетных сил и моментов, сопрово-

ждающихся характерным гулом.

Помпаж нагнетателя – пульсирующий турбулентный (вихреобразный)

поток газа, с большой скоростью проходящий через проточную часть, вызы-

вающий сильные вибрации, газодинамические удары и толчки, грозящие самы-

ми неожиданными разрушениями. Нагрузки нерасчетные – конструкция

предельно перегружена. Режим неуправляемый, скоротечный.

Пульсирующий режим вызван поочередной (несколько раз в секунду) ра-

ботой нагнетателя в разных точках характеристики с одинаковым перепадом

давления, но разными расходами газа.

Продолжительно работать в помпажной зоне ни один нагнетатель не

может. Пути выхода из помпажной зоны:

− Быстрый возврат в рабочую зону путем байпасирования (система

"Си–Си–Си");

− Останов ГПА;

− Аварийный останов от системы защиты (по осевому сдвигу или забро-

су оборотов);

− Скатывание в нулевой режим.

Других путей выхода из помпажа нет.

3. Нерабочая левая ветвь – является неустойчивой, так как нагнетатель

не может одновременно увеличивать и давление, и объемный расход газа. Ра-

бочая точка неотвратимо скатывается в точку нулевой производительности.

4. Нулевая точка.

При превышении давления в сети над

вых

P нагнетателя (что может быть

вызвано внезапным падением давления на всасе даже на 1-2 атм.), последний бу-

дет "задавлен" противодавлением, и рабочая точка с большой скоростью уйдет в

точку нулевой производительности

(ситуация аналогична закрытию крана

№ 2). Опасность такого режима в том, что после перехода из помпажной зоны

(если не произошло аварийного останова от реле осевого сдвига или по предель-

ным оборотам) в точку

режим работы нагнетателя быстро стабилизируется и

он продолжает спокойно, и бесшумно работать без вибраций и стуков.

Замеряемые параметры не отличаются от нормы, хотя манометры на вса-

сывающем и нагнетательном патрубках показывают "чужое" давление – стати-

ческое давление во всасывающем патрубке и статическое давление в

магистрали. Поэтому рассчитываемая по этим данным степень сжатия нагнета-

теля фиктивна и ложно подтверждает нормальный режим работы. Действи-

тельная степень сжатия равна единице – нагнетатель перепада не создает. Ротор

нагнетателя вращает один и тот же "ком" сжатого газа, который и прегражда-

ет путь обратному перетоку газа из нагнетающего коллектора во всасывающий.

Два варианта дальнейшего развития ситуации:

− стоит остановиться ГТУ с открытыми кранами № 1 и № 2, и ротор на-

гнетателя превратится в турбину, уходящую в разнос под магистраль-

ным давлением газа (случай уникальный, но возможный и имевший

место в эксплуатации);

− продолжение работы в таком режиме приводит к нагреву с темпом

7 град/мин. и грозит пожаром.

Путей попадания в т.

всего два:

1. помпаж;

2. неудачный пуск (с закрытыми байпасами). После помпажа при "скаты-

вании" рабочей точки в т.

резко возрастают обороты СТ двигателя,

что должно приводить к аварийной остановке ГТУ, но тоже не всегда.

Стабилизация оборотов может произойти достаточно быстро и заброс

СТ

может остаться незамеченным персоналом.

При попадании нагнетателя в т.

– немедленно остановить нагнета-

тель! Теоретически его можно вывести из нулевой точки байпасированием (по

алгоритму пуска), но делать этого нельзя, так как был переход через помпаж-

ный режим, причину которого надо установить, чтобы в него не попали осталь-

ные ГПА.

Нагнетателю, претерпевшему перегрев свыше 100°С, грозит коробление

внутренних закладных деталей и выход их из строя. Возможна необратимая

деформация или искривление вала ротора с потерей балансировки.

После перегрева:

− нагнетатель нельзя сразу после остановки вскрывать или ослаблять

крепежные гайки;

− как можно медленнее охладить нагнетатель в естественных условиях

при отсутствии сквозняков или вентиляции (возможно до нескольких

суток);

− в процессе охлаждения ротор проворачивать минимум раз в смену на

несколько оборотов, каждый раз оставляя его в разных положениях;

− разбирать нагнетатель можно только после его полного охлаждения до

температуры окружающей среды.

5. Зона низких степеней сжатия.

Максимальная объемная производительность достигается при степени

сжатия равной единице (вентиляторный режим). Практически это режим с

min

и ниже.

Направление абсолютной скорости газа на выходе из рабочего колеса

приближается к радиальному. Лопатки диффузора почти полностью теряют

свое назначение как направляющие элементы потока газа, так как становятся

помехой на пути его выхода из рабочего колеса. Газ ударяется в лопатки диф-

фузора, создавая беспорядочный вихреобразный поток – безвозвратно расходу-

ется

энергия и резко падает к.п.д.

Внешние проявления:

− непрерывные толчки и стуки;

− повышенный шум и вибрация.

На роторе беспорядочные знакопеременные осевые нагрузки. В таком

режиме перегружаются и даже выходят из строя опорные и особенно упорные

подшипники. Весьма вероятно срабатывание защиты по осевому сдвигу.

Работа в этом режиме недопустима.

Любые аварийные ситуации, связанные с нарушением режимов работы

нагнетателя, происходят только вследствие перехода рабочей точкой границ

устойчивых режимов

Пуск нагнетателя

Схема пуска (рис. 41) возможна только по замкнутому кольцу, иначе на-

гнетатель не выйдет из нулевой точки. После пуска газ циркулирует по замкну-

тому кольцу в вентиляторном режиме под давлением немного выше Р всаса.

Рис. 41. Схема пуска нагнетателя

При такой схеме пуска прохождение критической точки и помпажной зоны

безопасно из-за незначительного перепада давления, создаваемой нагнетателем.

Условия надежного пуска параллельно работающих ГПА:

1) Достижение одинаковых оборотов, чтобы пускаемый ГПА достиг рабоче-

го давления и степени сжатия одинаковых с работающими ГПА.

2) Сумма объемных производительностей всех работающих ГПА, включая пус-

каемую, должна быть меньше объемной производительности газопровода.

Причины помпажа при пуске:

− недобор оборотов по отношению к работающим ГПА (пускаемая будет

"задавлена");

− превышение оборотов над работающими ГПА (пускаемая "задавит" рабо-

тающие);

− превышение суммы Q (в помпаж может попасть любая ГПА, в т. ч. и пус-

каемая);

− попытка пуска с закрытым байпасным краном;

− падение давления на всасе:

а) помехи перед защитной решеткой на всасе;

б) всас из другого параллельно работающего газопровода.