Лекции по газотурбинным установкам (Поршаков)
Подождите немного. Документ загружается.
Рабочая точка компрессора D
1
определяется линиями пересечения
характеристики осевого компрессора и характеристики сети (пунктирная
линия). Если принять, что по некоторым причинам (при неизменном положении
дросселя) расход несколько увеличился, т. е. компрессор начинает работать на
режиме точки D
2
, а для подачи увеличенного количества воздуха требуется и
повышенное давление Р
2
> P
1.
Однако рост давления действует против потока и
снижает расход воздуха до его первоначального значения (точка D
1)
. Легко
заметить, что режим остается стабильным и при уменьшении расхода, т.е.
режим работы осевого компрессора будет оставаться устойчивым до тех пор,
пока выполняется условие:
d
к
/ dG < 0
(3.12)
Если в качестве рабочей точки компрессора принять точку F, то
увеличение расхода компрессора с величины G
F
до G
k
приведет к тому, что
компрессор будет в этой области развивать большее давление, чем необходимо
для подачи расхода G
k
, вследствие чего расход еще больше увеличится.
Аналогичные рассуждения можно привести и для случая уменьшения расхода
воздуха в этой зоне характеристики осевого компрессора. Следовательно,
можно утверждать: режим работы осевого компрессора будет неустойчивым в
области:
d
к
/ dG > 0 (3.13)
В многоступенчатых компрессорах помпаж обычно не возникает, когда
одна или даже несколько ступеней работают в неустойчивой области, если
только характеристика осевого компрессора в целом удовлетворяет условиям
стабильности, т.е. соотношение давлений сжатия при постоянной частоте
вращения с уменьшением расхода или увеличивается или, по крайней мере,
остается постоянным.
Граница помпажа многоступенчатого компрессора в верхней своей части
имеет излом в точке В (см. Рис. 3.1). Этот излом является следствием
последовательного срыва потока в ступенях при повышении частоты вращения.
Точка излома как раз и соответствует такой частоте вращения (при данных
к
и
90
G), при которой срыв потока на лопатках компрессора переходит из первых
ступеней в последние.
При полном срыве потока в одной из ступеней возникают зоны срыва,
которые могут проходить через всю проточную часть компрессора;
экономичность компрессора при этом резко падает, агрегат начинает сильно
вибрировать, работать на таком режиме нельзя. Внешние признаки помпажа
весьма характерны. Вдали от линии помпажа (d
к
/dG < 0) при большой
производительности компрессор издает резкий свистящий шум. Уровень шума
на станции в районе осевого компрессора достигает величины порядка 110-120
дц. По мере уменьшения производительности, вплоть до границы помпажа ,
заметных изменений в характеристике звука не происходит, затем внезапно
появляются резкие периодические хлопки, сопровождающие, как правило,
выбросом воздуха из компрессора во всасывающий патрубок.
Меры борьбы с помпажом можно условно разделить на две группы. К
первой группе относятся мероприятия, применяемые при проектировании
компрессоров с целью увеличения его рабочей зоны (d
к
/dG <0). Сюда
относятся выбор малых окружных скоростей, увеличение густоты решетки,
выбор профилей лопаток с большой относительной толщиной и большим
радиусом скругления входной кромки.
Ко второй группе относятся мероприятия, используемые в работающих
установках. Сюда относятся регулирование работы компрессора с помощью
поворотных лопаток направляющего аппарата, вдувание воздуха в поток
рабочего тела через щели в профиле лопаток, перепуск воздуха.
Наименее экономичным, но весьма простым и эффективным способом,
получившим широкое распространение на практике, является перепуск воздуха
(противопомпажный сброс воздуха).
Принципиальная схема противопомпажного устройства приведена на
Рис.K3.7. Чтобы сохранить устойчивый режим работы компрессора при
приближении к границе помпажа, необходимо часть воздуха сбросить из
компрессора в атмосферу и тем самым обеспечить производительность
компрессора, достаточную для сохранения устойчивого режима работы.
91
Регулируя открытие противопомпажного клапана, регулятор обеспечивает
постоянную производительность воздуха (G
сек.)
при расходе через сеть (G
c
).
Воздух в количестве G = G
c
- G
сек.
выбрасывается в атмосферу через
противопомпажный клапан.
В компрессорах с высоким соотношением давлений сжатия, когда
предельная производительность компрессора определяется режимом запирания
его последних ступеней, противопомпажные устройства обеспечивают сброс
воздуха через какую-либо из промежуточных ступеней компрессора.
В условиях работы ГТУ на компрессорных станциях наблюдаются случаи
появления помпажа при обмерзании входной части осевого компрессора при
повышенной влажности наружного воздуха в период сильных туманов,
снегопадов и метелей.
Аварийные остановки агрегатов из-за обмерзания входной части
компрессора приводят к нарушению работы станции, уменьшают подачу
товарного газа и отрицательно сказываются на работоспособности отдельных
узлов и деталей ГТУ.
Помпаж осевого компрессора при обледенении входной кромки осевого
компрессора может сопровождаться мощным хлопком и выбросом воздуха во
всасывающий тракт агрегата. Следует отметить, что помпаж здесь наступает
прежде всего в результате внезапного возмущения потока воздуха в момент
отрыва кусков льда или налипшего снега со стенок конфузора или
направляющих лопаток компрессора. В момент отрыва кусков льда с
направляющего аппарата компрессора, возросшая при обледенении в
межлопаточных каналах осевая составляющая скорости резко падает,
вследствие быстрого увеличения проходного сечения решетки и лопатки как бы
не успевают «подхватить» поток воздуха, что вызывает нарушение целостности
потока и увеличение местных сопротивлений и, как следствие этого, выброс
остатков льда во всасывающий патрубок.
Помпаж центробежного нагнетателя сопровождается теми же внешними
признаками, что и помпаж осевого компрессора: хлопки, сильная вибрация
92
нагнетателя, периодические толчки, колебания частоты вращения и
температуры газов ГТУ и т.д.
Причинами возникновения помпажа в нагнетателе являются: колебания
давления в газопроводе, неправильная или несвоевременная перестановка
кранов в трубной обвязке нагнетателя, снижение частоты вращения нагнетателя
ниже допустимой, попадание посторонних предметов на защитную решетку
нагнетателя и ее обледенение и т. д.
В настоящее время существует достаточно много противопомпажных
автоматических систем, позволяющих не допустить попадание нагнетателя в
зону помпажа и сигнализирующих о приближении рабочей точки к границе
помпажа. Наиболее распространенные системы основаны на сопоставлении
величины расхода газа с создаваемым нагнетателем напором с последующим
воздействием на перепускной кран. Специальный регулятор, рассчитывая
расстояние рабочей точки от границы помпажа, воздействует на перепускной
клапан и перепускает часть газа с выхода нагнетателя на вход, чем и
осуществляется устойчивость режима работы нагнетателя [11].
93
ГЛАВА 4. ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ
ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
4.1 Устройство и принцип работы камеры сгорания ГТУ
В газотурбинных установках процесс подвода тепла к рабочему телу
агрегатно отделен от процессов сжатия и расширения и осуществляется в
специальных камерах сгорания, которые предназначены для полного и
эффективного сжигания топливного газа в потоке воздуха, поступающего из
осевого компрессора или регенератора с целью получения продуктов сгорания с
температурой, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой
турбины.
Камера сгорания предназначена удовлетворять широкому кругу
требований – обеспечение высокой полноты сгорания топлива, надежности и
плавности запуска в работу, устойчивости горения в широком диапазоне
изменения давления и завершение этого процесса на определенном расстоянии
от соплового аппарата газовой турбины, отсутствие значительных пульсаций
давления, вызванных процессом горения, равномерности поля температур в
поперечном сечении камеры, большим моторесурсом, невысокими
гидравлическими сопротивлениями, ремонтопригодностью, т.е. возможностью
демонтажа и монтажа в условиях компрессорной станции (в стационарных
ГТУ).
В газотурбинных установках большой и средней мощности применяют
камеры сгорания главным образом двух типов – выносные и встроенные.
Встроенные камеры сгорания –кольцевые, секционные, используемые главным
образом в ГТУ авиационного типа, располагаются концентрично между
компрессором и газовой турбиной, что позволяет значительно уменьшить
габариты и массу установки, повысить блочность конструкции, облегчить ее
обустройство на компрессорной станции.
Направление движения потока воздуха во встроенных камерах сгорания
может быть различным: прямоточным или противоточным по отношению к
94
направлению потока воздуха в компрессоре. Однако в различие в схемах
движения потока воздуха, поступающего в камеру сгорания, практически не
меняет рабочий процесс сжигания топлива и величину потерь давления по
камере в целом.
Выносные камеры сгорания используются главным образом в ГТУ
стационарного типа, чаще в установках с регенерацией теплоты отходящих
газов, прежде всего в связи с необходимостью организовать движение потоков
воздуха и продуктов сгорания между компрессором и газовой турбиной.
Принципиальная схема камеры сгорания показана на Рис. 4.1. Основными
ее элементами являются: корпус 1, жаровая труба 2, горелочное устройство 3,
завихритель 4 и смесительные окна 5.
Воздух после компрессора или регенератора поступает в камеру сгорания,
где разделяется на два потока. Меньшая его часть G
в
1
(первичный воздух)
непосредственно поступает в жаровую трубу 2 через завихритель с радиально
расположенными лопатками, обеспечивающими его закрутку и служит для
сжигания топлива, поступившего в жаровую трубу через газовые горелки.
Задача завихрителей, которые в принципе представляют из себя плохо
обтекаемые тела, - образовать устойчивую зону обратных токов для
обеспечения воспламенения вновь поступающих порций топливного газа в
камеру сгорания.
Большая часть воздуха G
B
11
(вторичный воздух) проходит между корпусом
и жаровой трубой, охлаждая их. Часть воздуха через щели и отверстия
поступает внутрь жаровой трубы, охлаждает ее внутренние стенки и
дополнительно турбулизирует поток продуктов сгорания. Через смесительные
окна 5, оставшаяся часть воздуха поступает в жаровую трубу и смешиваясь с
продуктами сгорания снижает их температуру до величины обусловленной
жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины.
Рабочий процесс работы камеры сгорания, несмотря на кажущуюся
простоту, чрезвычайно сложен. Сам процесс сжигания топлива во многом
зависит от качества подготовки топливовоздушной смеси и дальнейшего
перемешивания топлива и воздуха. Чтобы процесс горения топлива в камере
95
сгорания был устойчивым, очевидно необходимо, чтобы скорость потока
газовоздушной смеси численно равнялась скорости горения. При подаче
газовоздушной смеси со скоростью, меньше оптимальной, фронт горения будет
смещаться в направлении подачи смеси и произойдет проскок пламени. Если
скорость горения смеси будет меньше скорости подачи газовоздушной смеси, то
фронт горения смещается в сторону смесительных окон и произойдет отрыв
пламени.
Устойчивость горения топлива в камерах сгорания достигается с помощью
аэродинамической рециркуляции продуктов сгорания, возникающей в камере за
счет установки плохообтекаемых тел-регистров (завихрителей потоков
воздуха) , что приводит к образованию обратных токов продуктов сгорания,
обеспечивающих непрерывное поджигание свежих порций поступающего
топлива. Одновременно, с целью обеспечения надежного сжигания топлива в
камере сгорания, их горелочное устройство, как правило, снабжается
установкой дополнительных дежурных горелок, обеспечивающих постоянное
поджигание поступающего топлива.
Обычно, корпуса камер сгорания оборудуются специальными смотровыми
окнами, что позволяет обслуживающему персоналу КС дополнительно
контролировать устойчивость процесса работы камеры сгорания ГТУ.
Весьма важной характеристикой рабочего процесса камеры сгорания
является ее объемная теплонапряженность, под которой понимается количество
тепла, вносимое сгоревшим топливом в единицу рабочего объема жаровой
трубы в единицу времени и отнесенное к единице давления поступающего в
камеру сжатого воздуха [2]:
вж
кснр
p,v
рV
BQ
(4.1)
где
VP
– объемная теплонапряженность , кДж/м.ч.Н; В- часовой расход
топливного газа, кг/ч; Q
нр
- низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;
пс
– коэффициент полноты сгорания топлива; V
ж
– объем огневого
пространства жаровой трубы, м
3
; р
в
– давление в камере сгорания, Н/м
2
.
96
Обычно при проектировании камер сгорания задаются величиной
vp.
Обычно эта величина находится в диапазоне 120-160 кДж/м.ч.Н.
О степени интенсивности работы камеры сгорания свидетельствует также
и другой параметр – удельная производительность (
F
), представляющая собой
отношение количества выделенного при сгорании топлива тепла к площади
полного поперечного сечения камеры (F):
F
0
пснрпснр
F
u
L1
Q
F
BQ
(4.2)
где u
F
– массовая скорость по полному сечению камеры, кг/(м
2
ч); -
общий коэффициент избытка воздуха по камере сгорания; L
0
- теоретическое
количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг. топлива.
Величина удельной производительности определяет собой
гидравлическое сопротивление камеры сгорания. Потери полного напора в
камере обычно относят к скоростному напору в каком-либо характерном ее
сечении:
2
пснр
0
F
m
кс
m
2
F
кс
Q
L1
22
u
p
(4.3)
где
кс
- коэффициент гидравлического сопротивления;
m
– средняя
плотность газовоздушной смеси.
Тепловая эффективность камеры сгорания оценивается величиной КПД
(
кс)
, учитывающего потери от химической и механической неполноты сгорания
(
пс)
и потери от теплоотдачи с поверхности камеры сгорания в окружающую
среду (Q
вн)
,сек:
нр
вн
пскс
ВQ
Q
1
( 4.4)
Для прямоточных камер сгорания величина
кс
численно достаточно
высока и находится в пределах 0,97-0,98.
Принципиальной особенностью рабочего процесса камер сгорания
современных ГТУ является относительно высокий общий коэффициент избытка
воздуха (). Это непосредственно связано с уровнем термодинамических
параметров цикла газотурбинных установок. Существо взаимосвязи состоит в
97
том, что теоретическая температура горения топлива значительно выше той,
которая допустима в качестве максимальной температуры цикла перед газовой
турбиной. Поэтому необходимо большое количество дополнительного воздуха,
подводимого в камеру сгорания через смесительные окна для того, чтобы
снизить температуру рабочего тела на выходе из камеры перед поступлением
газов на диски и лопатки газовой турбины.
4.2 Материальный и тепловой балансы камер сгорания
Основными физико-химическими характеристиками топлива являются его
элементарный состав и теплота сгорания (теплотворная способность).
Стабильную часть любого топлива составляет его горючая масса –
массовые процентные содержания углерода (С
г
) водорода (Н
г
), горючей серы
(S
г.л.)
, кислорода (О
г)
и азота (N
г)
[ 3] :
С
г
+ Н
г
+ S
гл
+ О
г
+ N
г
= 100% (4.5)
В состав рабочего топлива входит, кроме элементов горючей массы, так
называемый, балласт топлива (А, W – процентные массовые содержания
механических примесей и влаги):
С
р
+ Н
р
+ S
рл
+ О
р
+ N
р
+ А
р
+ W
р
= 100% (4.6)
Взаимосвязь массового состава рабочего топлива и его горючей массы
осуществляется соотношениями:
г
PР
Р
C
100
WА
1С
;
P
PР
Р
H
100
WА
1Н
(4.7)
Горючая масса газообразного топлива обычно характеризуется мольным
(объемным ) содержанием индивидуальных газов – водорода (Н
2)
различных
углеводородов (С
m
H
n)
, окиси углерода (СО), углекислого газа (СО
2
) азота (N
2)
и
т.п.
Средняя мольная масса горючей массы газообразного топлива
определяется следующим известным термодинамическим соотношением:
m
= r
i
i
(4.8)
Элементарный массовый состав горючей массы газообразного топлива
определяется соотношениями:
98
%100mr
01,12
С
ii
m
г
Н
г =
%100nr
008,1
II
m
S
гл
=
%100pr
06,32
II
m
О
г =
%100qr
32
II
m
N
г
=
%100r
08,14
II
m
где m
i
, n
i
, p
i
, q
i
,
i
- общие символы компонентов газовой смеси;
i
-
мольная масса компонента.
Теоретически необходимый расход кислорода для полного окисления
горючих элементов единицы количества (1 кг) рабочего топлива:
О
minK
=
=
,
100
1
06,32
S
01,12
C
E1
100
1
32
O
06,32
S
008,14
H
01,12
С
PЛPPPЛ
p
P
моль(О
2
)/кг (4.9)
где Е – характеристика элементарного состава горючей массы топлива,
определяемая как отношение расхода кислорода на окисление свободного
водорода (Н
г
– 0,126О
г)
к расходу кислорода на окисление углерода и серы (С
г
+ 0,375S
гл)
:
Е =
ГЛГ
гг
глг
гг
S375,0С
О126,0Н
979,2
06,32
S
01,12
С
32
О
032,4
Н
(4.10)
Отсюда теоретически необходимый расход сухого воздуха (массовое
содержание кислорода в воздухе равно 0,2315, что соответствует мольной
концентрации 0,2095), кг/кг :
PЛР
PЛP
min0
S375,0СЕ11151,0
100
1
06,32
S
01,12
C
E1
2315,0
32
O
2315,0
32
L
(4.11)
99