Лекции по газотурбинным установкам (Поршаков)

Подождите немного. Документ загружается.

определяющей степени зависит весь процесс надежного и эффективного

использования газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях.

Время запуска агрегатов стационарного типа, из-за необходимости

обеспечения равномерного прогрева корпусных деталей и узлов ГТУ, как

правило большой массы, составляет примерно 20-30 мин., для авиационных

ГТУ на уровне 5-10 мин.

Пуск агрегатов осуществляется с помощью специальных пусковых

устройств, в качестве которых используются турбодетандеры, работающие на

перепаде давления природного газа или, в редких случаях, на перепаде давления

предварительно сжатого воздуха, находящего в специальных баллонах высокого

давления. На некоторых агрегатах в качестве пусковых устройств

используются и электростартеры. Мощность пусковых устройств обычно

составляет 0,3-35 от мощности агрегата в зависимости от типа ГПА –

авиационные или стационарные.

При пуске агрегата в работу можно выделить три основных этапа. Для

полнонапорного нагнетателя (Рис. 5.2), на первом этапе включается пусковой

насос масло-смазки и насос масло-уплотнения. Открывается кран №4 и при

открытом кране №5 в течение 15-20 с. осуществляется продувка контура

нагнетателя. После закрытия крана №5 давление в контуре нагнетателя

поднимается и при достижении на кране №1 перепада давления на уровне 0,1

МПа, происходит закрытие крана №4 и открытие кранов №1 и №6 (Рис. 5.2).

Такой пуск называется пуском ГПА с заполненным контуром.

После этого включается валоповоротное устройство и в зацепление

вводится шестерня турбодетандера. Через некоторое время валоповоротное

устройство отключается и агрегат начинает работать от турбодетандера.

Первый этап пуска на этом заканчивается.

На втором этапе пуска, раскрутка ротора турбокомпрессора производится

одновременно турбодетандером и турбиной высокого давления. При

достижении частоты вращения турбодетандера примерно 400-1000 об/мин.,

обеспечивающего подачу необходимого количества воздуха в камеру сгорания,

достаточного для зажигания топливовоздушной смеси, включается система

130

зажигания и открывается кран подачи топливного газа на запальное устройство

камеры сгорания. При этом датчик-фотореле сигнализирует о нормальном

процессе зажигания. Открывается кран подачи топлива на дежурную горелку.

Примерно через 1-3 мин., после достижения температуры на уровне 150-200

заканчивается «первый» этап прогрева, открывается регулирующий клапан и

начинается «второй» этап прогрева, который продолжается примерно 10 мин.

Происходит постепенное увеличение частоты вращения турбины высокого

давления и при частоте вращения примерно 40-45% от номинального значения,

турбина выходит на режим самоходности. При выходе из зацепления муфты

турбодетандера, заканчивается второй этап раскрутки ГПА.

На третьем этапе, путем постепенного увеличения подачи топливного газа

в камеру сгорания, происходит дальнейшее увеличение частоты вращения

ротора турбокомпрессора. Антипомпажные клапаны осевого компрессора

закрываются, агрегат с пусковых насосов переходит работать на основные,

приводимые во вращение уже от роторов ГПА. При увеличении частоты

вращения силового вала до величины равной частоте вращения других

нагнетателей компрессорного цеха, открывается кран №2 и закрывается

агрегатный кран №6; загорается табло «агрегат в работ».

5.5 Подготовка циклового воздуха при эксплуатации газотурбинных

установок на газопроводах

Перед подачей атмосферного воздуха на вход осевого компрессора ГТУ,

его всегда приходится очищать от естественной или промышленной пыли. Эта

очистка необходима для предохранения прежде всего проточной части

компрессора и всего воздушного тракта установки от механического износа

(эрозии) и образования на поверхности проточной части воздушного тракта

разного рода отложений. Некоторые виды промышленной пыли могут вызвать и

коррозию проточной части ГТУ. Эрозия приводит к снижению ресурса лопаток

осевого компрессора, а разного рода отложения - к ухудшению аэродинамики

131

проточной части и, как следствие, снижению КПД и мощности ГТУ в целом

[11].

Наиболее интенсивные отложения образуются на 1-3 ступенях

компрессора. Интенсивность отложения зависит от вида и природы пыли,

сочетания различных входящих в нее включений, режима работы самого

осевого компрессора и т.п. Следует отметить, что интенсивность отложений

увеличивается при наличии в цикловом воздухе какой-либо жидкой фазы.

На первой ступени компрессора интенсивный эрозионный износ прежде

всего наблюдается в средней части лопаток. На второй ступени, полоса

наиболее интенсивного износа смещается в прикорневую область. На третьей

и всех последующих ступенях износ локализуется обычно в прикорневом

сечении где наблюдается характерный «подрез» входной кромки, достигая в

ряде случаев глубины 8-10 мм. От корня к периферии лопатки величина

локального износа постепенно уменьшается.

Для обеспечения качественной очистки циклового воздуха, поступающего

на вход осевого компрессора, газоперекачивающие агрегаты оборудуются

комплексом воздухоочистительных устройств (КВОУ); в эксплуатации их

иногда называют просто воздухозаборными камерами.

Для качественной очистки циклового воздуха используются различные

типы фильтров, из них наибольшее распространение получили комплексные

воздухоочистительные устройства, оборудованные жалюзийными и

циклонными инерционными фильтр-элементами, а также

поротивообледенительной системой.

Жалюзийно-инерционными фильтрами (Рис. 5. 5 и Рис.5.5а) оборудованы

практически все авиоприводные агрегаты. В этих устройствах воздух подается

на вход фильтра через прямоугольные отверстия 1. Частицы пыли за счет

инерции попадают в камеру 3, откуда отсасываются вентиляторами. Сам

цикловой воздух очищается путем изменения направления движения. На

некоторых типах агрегатов применяется двухступенчатая система очистки

воздуха, состоящая из инерционно-жалюзийного фильтра первой ступени и

фильтр-элемента кассетного типа на второй ступени (Рис. 5.6).

132

В новых конструкциях воздухоочистительного устройства в основном

используются две ступени очистки. В качестве первой ступени используются

фильтры с элементами циклонного инерционного типа, а в качестве второй

ступени – фильтры, изготовленные из специальной ткани. Именно этими

фильтрами и оснащаются ГПА нового поколения типа «Урал-12М».

На агрегатах импортного производства , типа «Солар» и ГТК-25И

последних разработок применяются самоочищающиеся фильтры с

использованием в качестве защитного средства специальной бумаги. Их

конструкция и работа несколько напоминают ранее используемые на КС

самоочищающиеся масленые сетчатые фильтры.

Следует отметить, что несмотря на наличие различных фильтрующих

устройств воздуха на входе осевого компрессора, тем не менее они не

обеспечивают полную очистку и осевые компрессора (особенно первые его три

ступени) в той или иной мере, в зависимости от региона эксплуатации

подвергаются засорению. В связи с этим в эксплуатационных условиях

используется очистка проточной части компрессора на ходу или при его

прокрутке с помощью подачи на вход компрессора сухой крошки или

специального моющего средства.

Кроме основного своего назначения – очистки поступающего наружного

воздуха, комплексное воздухоочистительное устройство обеспечивает снижение

уровня шума в районе воздухозаборной камеры, возникающего при работе

осевого компрессора. Блок шумоглушения должен обеспечить согласно нормам

СН1004-74 снижение уровня шума до величины порядка 75-80 дБ на частоте 1

кГц.

Воздухозаборная камера дополнительно оборудуется еще системой

подогрева всасывающего циклового воздуха, исключающей возможность

обледенения входного тракта при температурах наружного воздуха от +3 до – 5

С и при относительной его влажности  80%.

Обледенению в той или иной степени подвержены все элементы

воздухозаборного устройства (фильтры, шумоглушители, крепежные детали и

т. п.). При появлении обледенения, гидравлическое сопротивление на входе

133

ГТУ возрастает, что может привести не только к возникновению помпажа

осевого компрессора, но и к разрушению некоторых узлов воздухозаборной

камеры. Кроме того, оторвавшиеся куски льда могут быть занесены потоком

воздуха в проточную часть осевого компрессора и вызвать ее разрушение.

В целях предупреждения обледенения входного тракта ГТУ используются

противообледенительные системы различной конструкции, основанные на

подогреве циклового воздуха при входе его в осевой компрессор, примерно на

8-10

С.

Обычно, в эксплуатационных условиях используют следующие схемы

подогрева циклового воздуха [11]:

1. подогрев горячим воздухом, отбор которого осуществляется из

воздухопровода за осевым компрессором или регенератором ГТУ. Эта

схема обычно используется при эксплуатации стационарных и

импортных ГТУ;

2. подогрев циклового воздуха осуществляется смесью воздуха,

отбираемого после компрессора или одной из его ступеней, и

выхлопных газов. Эта схема чаще используется при эксплуатации

авиаприводных ГПА;

3. подогрев циклового воздуха теплым воздухом, отбираемым после АВО

масла. Эта схема применяется на некоторых типах стационарных ГТУ,

где АВО масла расположены под воздухозаборной камерой..

Подогрев элементов входного тракта ГТУ горячим воздухом, отбираемым

за регенератором, является наиболее эффективным способом защиты их от

обледенения.

При использовании данной схемы подогрева, смешение горячего и

циклового воздуха осуществляется в специальных устройствах – смесителях.

Место расположения этих смесителей и их конструкция зависят от типа

агрегата. Так на агрегатах типа ГТК-10, ГТ-750-6 используются смесители

кольцевого типа, устанавливаемые на всасывающем трубопроводе осевого

компрессора (Рис.K5.7).

134

Горячий воздух подается на смеситель по четырем каналам с дроссельными

шайбами, регулирующих его расход. Схема обвязки обеспечивает отбор

горячего воздуха после регенератора в равной степени из левого и правого

трубопроводов. Контроль за работой электроприводной задвижки 2,

регулирующей расход горячего воздуха, осуществляется с главного щита

управления.

В некоторых типах газотурбинных установок, а также агрегатах с приводом

от авиационных двигателей, в воздухозаборной камере дополнительно

оборудуется еще система подогрева входного направляющего аппарата (ВНА).

Горячий воздух после компрессора подается по трубопроводам в кольцевую

полость цилиндра осевого компрессора и далее, пройдя по специальным

каналам лопаток ВНА и подогревая их, сбрасывается в проточную часть

компрессора.

Для регистрации возможных условий образования льда на входе в ГТУ в

условиях эксплуатации используют следующие способы:

1. устанавливают термометр для замера температуры воздуха на входе в

компрессор, а также термометр для замера температуры наружного

воздуха. При достижении температуры +3

С и ниже до – 5

С система

подогрева включается;

2. через специальные смотровые окна с подсветкой на корпус

всасывающей камеры цилиндра осевого компрессора осуществляется

визуальное наблюдение за состоянием поверхности входного

направляющего аппарата (с целью определения начала процесса

обледенения);

3. для автоматической сигнализации о появлении обледенения,

специальный датчик, контролирующий состояние атмосферного воздуха

по температуре и влажности сигнализирует о необходимости включения

обогревающего устройства. Датчик, фиксирующий образования льда,

встроен в инжектор, установленный после пылеулавливающих

фильтров воздухозаборной камеры. К инжектору подводится горячий

воздух из линии нагнетания компрессора, который расширяясь,

135

подсасывает атмосферный воздух из камеры фильтров. При увеличении

перепада давления на датчике при образовании льда, что фиксируется

дифманометром, подается сигнал на включение системы обогрева.

Схема подогрева циклового воздуха с использованием тепла отходящих из

турбины газов, используется на отечественных агрегатах типов ГПА-Ц-6,3 и

ГПА-Ц-16, а также на импортных агрегатах типа ГТК-10И [11].

Система подогрева циклового воздуха агрегата ГПА-Ц-6,3 (Рис.5.8)

включает в себя две распределительные решетки 1, расположенные с двух

сторон воздухозаборной камеры к которым при помощи эжектора 5, тройника 4

и воздухопроводов 3, подаются выхлопные газы, отбираемые после ТНД.

Эжектируемый воздух отбирается за осевым компрессором и по

трубопроводу 6 подается в эжектор. В трубопроводе для управления работой

системы предусмотрен вентиль с электроприводом 2, включенный в систему

автоматического управления агрегатом.

При температуре наружного воздуха в диапазоне от + 3 до – 5

С, система

подогрева циклового воздуха включается, а на пульте управления при этом

загорается лампочка «Обогрев ВОУ». Одновременно, через специальные

смотровые окна регулярно (примерно с интервалом 2 часа) осуществляется

наблюдение за состоянием воздухозаборной камеры на отсутствие обледенения.

Следует отметить, что любая схема подогрева циклового воздуха на входе

осевого компрессора – это вынужденная мера. Расчеты показывают, что

увеличение температуры воздуха на входе осевого компрессора всего на 1

практически для всех типов ГПА приводит к снижению относительной

мощности агрегата на 1,2 – 1,5 %, а относительного КПД на 0,45-0,60%.

Задача 5.2. В результате чистки проточной части осевого компрессора

на ходу за счет подачи крошки на вход осевого компрессора, произошло

увеличение конечной температуры процесса сжатия с величины 360

С до

370,1

С. Начальная температура сжатия до чистки компрессора и после

чистки оставалась на уровне 15

С. Степень сжатия в компрессоре осталась

практически на прежнем уровне Р

/Р

= 12. Определить на сколько

увеличился относительный КПД компрессора и как это сказалось на

136

изменение КПД и мощности установки в целом. Изменением теплоемкости

рабочего тела при изменении температуры пренебречь

Решение. Относительный КПД осевого компрессора при принятых

исходных данных определяется соотношением:







где



- 84- относительный адиабатический КПД компрессора; h

изоэнтальпийный теплоперепад в адиабатическом процессе сжатия

(удельная работа сжатия в обратимом адиабатическом процессе); h

–

реальная удельная работа сжатия в данном процессе; Т

– начальная

температура процесса сжатия, K (Т

= t

+273,2); T

– абсолютная

температура конца реального процесса сжатия; Т

– конечная температура

адиабатического процесса сжатия, определяемая из уравнения адиабаты:

5,586122,288

286,0



















Следовательно после чистки проточной части компрессора, когда

температура за компрессором выросла с t

= 360

C до величины t

= 370,1

, относительный КПД компрессора был равен:

84,0

1,355

3,298

2,2883,643

2,2885,586













После того как температура воздуха в результате чистки

компрессора снизилась до величины t

= 360

C, относительный КПД

компрессора стал равен:

86,0

345

3,298

2,2882,633

2,2885,586









Следовательно, в результате чистки проточной части компрессора

крошкой или промывкой его проточной части какой-либо специальной

промывочной жидкостью, относительной КПД осевого компрессора

увеличился с величины 0,84 до 0,86, что соответствует относительной

величине изменения КПД компрессора

.024,0/ 

kkk



137

Из соотношения 1.42, исключая влияние изменения расхода

топливного газа (в силу малости этой величины), определяется

относительное увеличение КПД установки в целом.

043,1

35,0

365,0















Примерно в таком же соотношение будет увеличена и мощность

установки в целом.

5.6 Особенности работы газотурбинных агрегатов при различных

технологических режимах газопроводов

Газотурбинные агрегаты в системе ОАО «Газпром» работают в различных

регионах страны и различных параметрах наружного воздуха на входе агрегата

(температура и давление наружного воздуха) и различных условиях подачи газа

по газопроводу (зимние и летние режимы работы). Влияние параметров

наружного воздуха (изменение температуры и давления ) на изменение

внешних характеристик собственно газотурбинной установки достаточно

подробно было рассмотрено в главе 1.

Рассмотрим теперь, как изменяются характеристики газоперекачивающего

агрегата (ГТУ плюс нагнетатель) при изменении подачи газа по

магистральному газопроводу в течении года.

Режимы работы компрессорных станций газопровода и, следовательно

ГПА, в течение года никогда не остаются стабильными. В зимний период

эксплуатации подача газа по станции как правило возрастает; в летний период

она снижается. Колебание в подаче газа по газопроводу в значительной степени

определяется его потреблением коммунальными службами в течение года,

причем различие между максимальным и минимальным потреблением газа

может быть весьма значительным [5].

138

Качественная характеристика влияния режима работы газопровода и

изменения температуры природного газа на входе в нагнетатель на

потребляемую мощность компрессорной санкции в течение года можно

проследить на примере кривых Рис. 5. 9. Зависимости Рис. 5.9 построены по

обычным расчетным соотношениям при следующих исходных данных:

расстояние между КС принято равным L = 100 км.; диаметр однониточного

газопровода D = 1000 мм. ; производительность Q = 26 млн. м

/сут.; степень

сжатия по станции  = 1,44; давление газа на выходе КС р

вых.

= 5,6 МПа. На Рис.

5.9 показано также изменение входного давления газа в нагнетатель р

вх.

изменение относительной мощности потребляемой нагнетателем в течение года.

Относительную амплитуду колебаний в подаче газа по газопроводу удобно

определять как отношение разности между максимальной и среднегодовой

подачей газа в течение года к среднегодовой подаче, 

= (Q

мах.

–

= 0,01 (сплошная линия) и 

= 0,05 (пунктирная линия). Следует

отметить, что подобное колебание в подаче газа по газопроводу весьма

незначительно и находится на уровне проектных данных. В реальных условиях

этот показатель может достигать величины 0,20-0,25 и выше.

Анализ данных Рис. 5.9 показывает, что наряду с изменением температуры

наружного воздуха примерно по такой же качественной зависимости

изменяется и температура грунта на глубине заложения газопровода, а

следовательно и температура газа на входе в нагнетатель (Рис. 5.10). Следует

однако отметить, что амплитуда колебаний температуры грунта на глубине

заложения газопровода примерно в 2-3 раза меньше амплитуды колебаний

температуры наружного воздуха, хотя разница в значениях средних температур

воздуха и грунта для различных климатических районов примерно одинакова

(табл. 5.4) [6].

Таблица 5.4.

Среднегодовые значения температуры наружного воздуха и грунта

на глубине заложения h = 1,2 м в некоторых пунктах страны

Район страны Среднегодо

вая

температур

Амплитуда

колебаний

температур

Среднегодо

вая

температур

Амплитуда

колебаний

температур

139