Энергетические газотурбинные установки. Циклы газотурбинных установок

Рис 3.1. (1 - момент стартера М ст; 2 - момент турбины М т; 3 –суммарный момент стартера и турбины М ст + М т; 4 - общий момент сопротивления ТК блока М ст + М т; I,II,III - этапы запуска).

На первом этапе происходит раскрутка ТК блока с помощью стартера до частоты вращения n 1 , соответствующей началу пос­тупления в камеру сгорания воздуха и осуществлению процесса вос­пламенения в ней.

На втором этапе (от n 1 до n 2) продолжается раскрутка ТК блока, но уже при совместной работе стартера и турбины. После достижения ТК частоты вращения n 2 , когда мощность турбины становится достаточной для его дальнейшей раскрутки, стартер отключается.

На последнем этапе (от n 2 до n xx) продолжается увеличение мощности турбины и выход ГТУ на режим холостого хода.

Рассмотрим процессы, происходящие в элементах ГТУ, в период ее пуска от n= 0, до n=n xx .

Потребная для работы компрессора мощность определяется его параметрами: КПД (η к), производительностью (G к) и величи­ной перепада тепла, характеризующего достигнутую степень повыше­ния давления при определенной температуре наружного воздуха. Ха­рактер изменения некоторых из них от частоты вращения в период пуска ГТУ представлен на рис.3.2.

Характер изменения параметров работы компрессора при запуске ГТУ

Рис.3.2. (1 - степень повышения давления π к; 2 - произ­водительность G к; 3 - потребляемая мощность N e k ; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Мощность, развиваемая турбиной ТК блока, также определяется параметрами: температурой газов на входе, их степенью расширения и расходом. Характер изменения некоторых из них в зависимости от частоты вращения при запуске корабельной ГТУ представлен на рис.3.3.

Характер изменения параметров работы турбины при запуске корабельной ГТУ

Рис.3.3. (1 - температура газов перед турбиной Т 3 ; 2 - степень расширения газа е ; 3 – мощность турбины N е T ; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Характер изменения параметров работы ГТУ-20 транспортного судна при ее запуске приведен на рис.3.4 .

Осциллограмма запуска ГТУ-20

Рис.3.4 (1 - число оборотов ТКВД n 1 ; 2 - температура газа перед ТВД T 1 ; 3 - число оборотов ТКНД n 2 ; 4 - давление топлива перед форсунками Р T ; _____ из холодного состояния; _ _ _ _ _ из прогретого состояния; I - включение зажигания и подача топлива; II - отклю­чение зажигания; III - страгивание ТКНД; IV – отключение стартера).

В общем случае процесс запуска ГТУ можно разбить на следующие этапы: страгивание, холодный разгон и подача топлива.

Для страгивания ТК блока к нему с помощью стартера подводится энергия, обеспечивающая преодоление сопротивления всей системы и ускорение ротора. При этом крутящий момент стартера должен быть не менее, чем в 1,5-2,0 раза больше момента страгивания, определяемого по формуле:

М стр =ξ*Р*r, (3.1)

где Р - вес ротора ТК; r - радиус подшипника, ξ = 0,3 - коэф­фициент трения покоя.

Величина указанного запаса обуславливается изменением момен­та страгивания в зависимости от времени стоянок, количества вскрытий, ремонтов и др.

На этапе холодного разгона необходимо принимать во внимание следующее обстоятельство: момент сопротивления ТК до подачи топ­лива в камеру сгорания для ГТД различ­ного класса может быть принят, равным моменту сопротивления компрессора, т.к. момент сопротивления турбины в это период пренеб­режимо мал. Для определения момента сопротивления ТК при В = 0, т.е. в области небольшого сжатия воздуха, может быть использована формула:

М/М 0 ≈ (n/n 0) 2 , (3.2)

где М 0 , n 0 - момент и частота вращения ТК на основном расчетном режиме.

При подаче топлива необходимо руководствоваться следующим. Продолжительность запуска ГТУ определяется временем подачи топлива и чем раньше оно будет подано, тем меньше время запуска. При экстренном запуске вводится ряд ограничений. Для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания минимальное число оборотов компрессора должно составлять 10-20 % от значения полного хода. Удовлетвори­тельный распыл топлива должен быть обеспечен при его минимальном расходе через форсунки. Применительно к форсункам с механическим распылом эта величина обычно составляет 10-20 % от расхода на полном ходу, а с воздушным распылом она может быть снижена до 5-10 %. При выборе числа оборотов и количества топлива в момент подачи необходимо учитывать, что из-за неудовлетворительного рас­пыла, низкой скорости и температуры воздуха его значительная часть может не сгореть вообще или будет догорать в проточной части тур­бин. Поэтому КПД камеры сгорания в этот период падает до 60-70 % (вместо 97-98 % на полном ходу).

Приведенные цифры являются ориентировочными, т.к. рабочий процесс камер сгорания в пусковом режиме существенно зависит от типа камеры, форсунок и системы подачи топлива и в отдельных слу­чаях может выходить за указанные пределы. Исходя из условий надеж­ности запуска, число оборотов и расход топлива в момент его подачи должны быть не менее 20 % от их значений на режиме полного ПХ. В условиях нормальной эксплуатации указанные ограничения отсут­ствуют. Например, в ГТУ-20 топливо подается после выхода ТК на холодный установившийся режим.

Для осуществления пуска судовых ГТУ находят применение три вида стартера (электродвигатели постоянного и переменного тока, паровая турбина), каждому из которых присущи свои особен­ности. Так, электродвигатель постоянного тока обладает хорошей моментной характеристикой, допускает регулирование режима прос­тейшими способами (например, изменением напряжения в обмотке возбуждения), однако имеет большие габариты и для своей работы требует наличие выпрямителя.

Электродвигатель переменного тока обладает теоретически
наилучшей моментной характеристикой ( ст = f(n)). В то же время обычные малогабаритные двигатели (с короткозамкнутым ротором) допускают работу при пониженной скорости вращения только в течение нескольких секунд из-за многократной перегрузки по току, что для запуска ГТД неприемлемо, т.к. раскрутка ТК из-за его инер­ции обычно занимает несколько минут. Применение регулируемых двигателей (например, с фазным ротором) нерационально из-за увели­ченных габаритов и сложности системы регулирования. Поэтому для запуска ГТУ наиболее целесообразным является электродвигатель переменного тока в сочетании с гидротрансформатором. Такой комп­лекс представляет собой электрогидравлическое пусковое устройство. Наилучшей пусковой характеристикой обладает паровая турбина, т.к. она развивает большую мощность при предельно малых габаритах. Ее применение ограничивается необходимостью наличия пара, а это ставит запуск ГТД в зависимость от работы паровых котлов.

Мощность стартера составляет 2-4 % от мощности ГТД.

При выборе времени запуска определяющим является вес ГТД. Например, в легких ГТД, благодаря малой массе деталей, не возни­кает опасность недопустимых температурных напряжений, кораблений и т.п., связанных с его быстрым нагревом при запуске. В этом случае запуск определяется временем разгона ротора. В тяжелых ГТД, наоборот, вследствие массивности их деталей необходим постепенный и длительный прогрев. Время выхода из холодного неподвиж­ного состояния на режим холостого хода в большинстве случаев составляет 10 мин, а на режим полного хода - (20-30) мин; из горячего состояния - соответственно (4-6) мин и (6-8) мин. Экстренный запуск в 3-4 раза быстрее нормального запуска ГТД.

Учитывая, что надежность запуска ГТД в действие определяется моментом сопротивления раскручиваемого ТК, поэтому при его работе в таком режиме необходимо создать условия для уменьшения величины сопротивления и увеличения вращающего момента. В зависимости от типа ГТД для этих целей используют различные способы. В ГТД прос­тейшей схемы для улучшения пусковой характеристики уменьшают нагрузку на выходном валу, например, путем постановки на нулевой шаг лопасти ВРШ, отсоединения ГТД от гребного винта и т.п. В ГТД со свободной пропульсивной турбиной уменьшают сопротивление за турбиной компрессора, например, путем вытравливания газа на ее входе или раскрытием сечения поворотом сопловых аппаратов.

Для ГТД с двумя компрессорами имеются свои особенности. В начальный период запуска ТКНД неподвижен, т.к. момента, разви­ваемого его турбиной, не хватает для страгивания. В этот период помимо потери на выхлопе турбины раскручиваемого ТК (как и в схе­ме со свободной турбиной), добавляется потеря от прососа воздуха через неподвижный КНД, которая по опытным данным равна:

ΔР пр = кz(G/G 0) 2 , (3.3)

где z - число ступеней компрессора; G - количество просасывае­мого воздуха; G 0 - номинальная производительность компрессора; к≈1.

Из формулы (3.3) видно, что даже при малых расходах воздуха

компрессор представляет собой существенное сопротивление, сле­довательно, для улучшения пусковой характеристики ГТД следует либо с помощью специального пускового устройства заранее страги­вать ТКНД, либо уменьшать потери путем введения дополнительного воздушного тракта в обвод КНД.

Наиболее распространенной причиной повышения момента сопротивления при запуске является помпаж компрессора, приводящий к резкому снижению его КПД. В этом случае рациональным способом улучшения пусковой характеристики является вытравливание в атмос­феру небольшого количества воздуха из компрессора. Возникающие при этом потери будут значительно меньше по сравнению с выигры­шем от увеличения КПД компрессора в процессе его выхода из помпажа. Например, в ГТУ-20 компрессор при работе во время запуска в зоне помпажа имеет КПД около 65 %, а при выходе из помпажа - около 85 %, т.е. КПД увеличивается более чем на 20 %. Количест­во же воздуха, вытравливаемое для выхода из помпажа, составляет менее 10 %.

На запуск ГТД оказывает влияние его тепловое состояние. Нап­ример, запустить ГТД из прогретого состояния легче, чем из холод­ного. Это связано с уменьшением радиальных зазоров турбин и комп­рессоров, и соответствующим увеличением их КПД.

Как указывалось выше, при запуске ГТУ в действие в ее основных элементах происходят специфические процессы. Их сущность излага­ется ниже.

КАМЕРА СГОРАНИЯ. В этом элементе в конце первого этапа запуска при достижении ТК блоком частоты вращения n 1 (рис.3.1) происходит зажигание топлива. Для обеспечения ее надежного нача­ла и устойчивой последующей работы необходимы эффективные дейст­вия воспламеняющего устройства, хорошее смесеобразование и ор­ганизация горения.

В качестве воспламеняющих устройств наибольшее распростране­ние получили пусковые воспламенители , состоящие из пусковых фор­сунок и устройств, обеспечивающих необходимое формирование огне­вого факела. Их пусковые качества в основном обусловлены расходом топлива. В камерах сгорания, имеющих пусковые воспламенители, по­дается в 1,5 раза больше топлива, чем без них.

Устойчивость работы пускового воспламенителя определяется скоростью воздушного потока на входе в диффузор камеры сгорания и коэффициентом избытка воздуха в нем, а эффективность работы - температурой, глубиной проникновения факела внутрь жаровой трубы и местом расположения. Значения этих параметров взаимосвя­заны с составом смеси в воспламенителе и совершенством рабочего процесса.

После поджигания топливо-воздушной смеси происходит расп­ространение пламени по всему объему жаровой трубы камеры сгорания. Факторами, определяющими его характер, являются отношение количест­ва тепла, выделившегося в начальном сферическом объеме смеси, где происходит электрический разряд, к количеству отводимого тепла. Зависимость здесь такова: чем больше это отношение, тем лучше происходит распространение пламени.

В последующий период горения начинает возрастать давление в камере сгорания, в результате чего происходит переброс пламени через специальные патрубки в остальные холодные ее объемы и под­жигание в них топливо-воздушной смеси.

Надежность распространения пламени по всему объему камеры сгорания зависит от геометрических размеров и кинетической энер­гии выходящего факела, определяющих его воспламеняющую способ­ность, а также от характеристик смеси в циркуляционных зонах хо­лодных жаровых труб.

Геометрические размеры поджигающего факела при постоянном перепаде давлений между жаровыми трубами обусловлены только вели­чиной проходного сечения пламеперебрасывающего патрубка.

Устойчивое воспламенение смеси в камере сгорания возможно лишь при проникновении огневого факела в зону обратных токов цир­куляционной области. Если этого не произойдет и топливовоздушная смесь будет поджигаться на периферии жаровой трубы, стабильного горения смеси во всем объеме жаровой трубы не образуется, т.к. пламя постоянно будет сноситься потоком, движущимся с большой скоростью в зоне прямых токов.

Условия воспламенения смеси и пламеобразование во всем объе­ме жаровой трубы непосредственно зависят от состава горючей смеси и качества ее образования. Горение происходит при вполне опреде­ленных соотношениях паров топлива и воздуха.

Время подготовки смеси связано со скоростью испарения топ­лива. Оно определяет возможности сгорания смеси в пределах жаро­вой трубы. Интенсивность испарения топлива непосредственно зави­сит от степени его распыла (величины капелек) и усиливается с уменьшением их размеров.

При попадании огневого факела в зону обратных токов происхо­дит интенсивное испарение капель топлива и его воспламенение с распространением процесса воспламенения и на зону прямых токов. Устанавливается стабильный процесс горения, при котором горение смеси в зоне прямых токов постоянно поддерживается очагом пламени в зоне обратных токов. После этого отключаются пусковые воспла­менители.

Пусковые возможности камеры сгорания характеризуются ее пус­ковой характеристикой. Она определяет область воспламенения и ее границы, а также максимально допустимые значения скорости потока и коэффициента избытка воздуха.

КОМПРЕССОР. Для ускорения вывода ГТУ на режим холостого хода необходимо иметь температуру газа перед турбиной максимально до­пустимой. Однако препятствием этому является предел устойчивой работы компрессора.

Известно, что область такой работы осевого компрессора при низкой частоте вращения существенно сужена. Кроме того, при ин­тенсивном возрастании температуры газов перед турбиной заметно увеличивается сопротивление газовоздушного тракта ТК и, как след­ствие, снижается производительность компрессора. Его степень по­вышения давления в области малых оборотов возрастает медленно. В конечном итоге происходит уменьшение осевой скорости воздушно­го потока, увеличение угла атаки обтекания лопаток и возможен срыв потока. Компрессор будет работать неустойчиво (помпажировать) , в результате чего начнется колебание давления воздуха на выходе, снизится его производительность и возникнет вибрация. Все это отразится на работе турбины. При падении давления за компрессором нарушится установившаяся работа камеры сгорания и догорание газов будет происходить уже за турбиной. При сниженном давлении на входе и возросшем противодавлении на выходе существенно уменьшит­ся тепловой перепад, срабатываемый турбиной и, как следствие, про­изойдет снижение интенсивности роста частоты вращения ТК блока. В таких условиях возможны "зависание" частоты вращения и срыв запуска ГТУ. Во избежание этого, величина критерия устойчивости компрессора против помпажа должна быть К у >1,1. При значениях К у > 1,1 (очень малых запасах устойчивости) требуется корректи­ровка подачи топлива на запуске вручную.

Характеристика компрессора при работе его на пусковых режи­мах приведена на рис.3.5 .

Видно, что при запуске рабочая линия компрессора заметно смещается в сторону к границе устойчивости по сравнению с рабо­той на установившихся режимах.

На некоторых ГТУ допускается выход рабочей линии компрессора за границу устойчивой работы на первом этапе запуска, т.к. в этот период топливо в камеру сгорания не подается, а поэтому серьезной опасности ГТУ не подвергается. В противном случае (по каким-то причинам произойдет подача топлива в камеру сгорания) ГТУ попадет в помпаж и возможен пожог лопаток турбины.

Топливная система. Топливом для судовых ГТУ служат мазут, дизельное топливо и керосин. В период запуска и остановки ис­пользуется легкое, менее вязкое топливо, устраняющее засорение фильтров и закоксовывание форсунок. Для улучшения процесса сжигания тяжелых сортов топлива (мазута) и устранения образо­вания отложений в газовом тракте турбины к топливу добавляют специальные присадки.

На рис. 118 показана принципиальная схема топливной си­стемы газотурбинной установки. В период запуска пусковой элек­тронасос 17 подает пусковое топливо из цистерны 1 через фильтр грубой очистки 18 к пусковой форсунке 14. По достижении устой­чивого горения пусковой форсунки в работу включается главный топливный насос 8 при закрытом кране 6 и открытом кране 9. Главный топливный насос направляет пусковое топливо к топлив­ному агрегату 10 рабочих форсунок 13. Перед поступлением к фор­сункам топливо проходит сетчатый фильтр 11 и стоп-кран 12. Топливоперекачивающий насос 16 подает пусковое топливо через тиливоподогреватель 15 и сетчатый фильтр 7 к главному топлив­ному насосу.

Одновременно в системе основного топлива идет подогрев мазута до требуемой температуры (порядка 393° К) для уменьшения его вязкости; при этом работает рециркуляционный контур основ­ного топлива: мазут из расходной цистерны 2 , пройдя щелевые фильтры 3 грубой очистки, подкачивающим насосом 4 через по­догреватель 5 и кран 6 возвращается обратно в расходную ци­стерну. Когда мазут достигнет требуемой температуры, кран 6 переводится в положение подвода мазута к рабочим форсун­кам 13, а кран 9 перекрывается, и пусковое топливо перекачива­ется обратно в запасную цистерну 1 .

Масляная система. Масляная система судовых ГТУ, как и па­ротурбинных, может быть циркуляционной или гравитационной напорной. К смазочным маслам судовых ГТУ предъявляются бо­лее повышенные требования, чем к маслам паротурбинных уста­новок. Масла не только должны обладать высокими смазочными, противоизносными и противокоррозионными свойствами, но также быть устойчивыми к образованию отложений, иметь высокую температуру вспышки, не ниже 473° К, так как у некоторых ГТУ температура подшипников достигает 423-443° К.

Система охлаждения. Система охлаждения газовых турбин может быть водяной и воздушной.

На рис. 119 показана принципи­альная схема воздушно-водяного охлаждения ГТУ судна «Париж­ская коммуна». Корпус турбины высокого давления 2 охлажда­ется дистиллированной водой, подаваемой центробежным насо­сом 5 через спаренный фильтр 6. После охлаждения корпуса ТВД дистиллированная вода через поверхностный водоохладитель 7 воз­вращается в цистерну 4. Охлаждение дисков турбины низкого дав­ления 1 производится воздухом, который отбирается из промежу­точной ступени компрессора 3 , а охлаждение диска турбины вы­сокого давления 2 - воздухом, отбираемым из последней ступени компрессора.

Реверсивные устройства ГТУ. Реверс в ГТУ может быть осу­ществлен с помощью ТЗХ, винтов регулируемого шага (ВРШ), гидрореверсивных устройств, электропередач и реверсивно-планетарных передач. Однако в трубокомпрессорных ГТУ в связи со значительным конечным давлением газа (около 1 бара), а следо­вательно ростом потерь мощности на вращение турбин обратного хода и сложностью конструкций переключающего устройства ТЗХ не нашла широкого применения. В ГТУ с СПГГ объемный расход газа и его температура перед турбиной значительно меньше, чем в турбокомпрессорных ГТУ, и это уменьшает размеры переклю­чающих органов. Для осуществления реверса в ГТУ с СПГГ при­меняют ТЗХ.

Применение ВРШ повышает маневренность судна, упрощает ГТУ и улучшает ее работу на нерасчетных режимах.

Гидрореверсивные устройства и реверсивно-планетарные пере­дачи обладают компактностью, малым весом и хорошими манев­ренными характеристиками. Этот тип реверсивных устройств для установок большой мощности находится в стадии освоения.

Электропередача, обладая хорошими маневренными качест­вами, имеет значительные (для судов) весо-габаритные показатели и невысокий к. п. д.

Система управления и защиты . Эта система предназначена: для управления газотурбинной установкой при запуске, маневрах и остановке; для предупреждения аварийных состояний установки и ее защиты при превышении предельной частоты вращения или осевого сдвига роторов установки, падении давления масла и пресной воды в системах смазки и охлаждения ниже допустимых, изменениях рабочей температуры газового потока (повышение температуры, срыв факела в камере сгорания).

Управление ГТУ при запуске осуществляется путем последо­вательного включения и выключения пусковых устройств, а на рабочих режимах изменением подачи топлива в камеру сгорания, открытием клапанов перепуска газа в выпускной газоход и откры­тием заслонок противопомпажного устройства компрессора. Управ­ление всеми этими операциями осуществляется дистанционно с пульта управления или с мостика. При выходе из строя автома­тического дистанционного управления предусматривается ручное управление. Система защиты снабжается аварийно-предупреди­тельной и информационной сигнализацией, при срабатывании ко­торой зажигаются лампочки и включается звуковой сигнал.

На рис. 120 показана упрощенная схема управления ГТУ с ВРШ. К форсункам камеры сгорания 2 очищенное тяжелое топливо подается топливным насосом 12 через главный регулирую­щий орган 9, который определяет режим работы установки. Пе­ремещение регулирующего органа 9 осуществляется с поста управления поворотом маховика 5 через кулачок 6 и пружину 4. Постоянный перепад давления масла на регулирующем органе под­держивается регулятором 3, а скорость его перемещения ограни­чивается регулятором приемистости 11. Подвод пускового дизель­ного топлива осуществляется регулятором подачи 10. Сервомо­тор 1 и золотник 13 обеспечивают перекладку лопастей ВРШ. Угол поворота лопастей винта задают поворотом маховика 5 через сельсин-датчик 7 и сельсип-приемпик 14, которые связаны элек­трически в следящую систему. Аварийный поворот лопастей ВРШ производят ручным приводом 8.

Пуск ГТУ - ответственная операция, которую надо проводить, соблюдая правила технической эксплуатации и безопасности

Перед пуском ГТУ следует убедиться в исправности ее основ­ного и вспомогательного оборудования, систем регулирования и защиты. Кроме того, необходимо удостовериться, что монтажные, ремонтные работы и техническое обслуживание закончены, посто­ронние лица около ГТУ и внутри нее отсутствуют. Предваритель­но должно быть проверено качество топлива и масла. Если оно не удовлетворяет установленным нормам, пуск ГТУ запрещается. Нельзя запускать ГТУ, если неисправна или отключена какая-либо защита или система регулирования, неисправен один из маслонасосов или не работает система их автоматического включения при недопустимом уменьшении давления масла в системе смазки. Пуск ГТУ проводится автоматически. Действиями обслужива­ющего персонала руководит начальник смены. После капитально-.fo или текущего ремонта пуск ГТУ ведется под руководством начальника цеха или его заместителя. Собственно пуск ГТУ мож­но разделить на несколько этапов (рис. 145).

На нервом этапе ротор газотурбинной установки раскручивают пусковым двигателем, так как она не может запуститься само­стоятельно. Мощность пускового ус­тройства составляет 1-6% от мощности ГТУ. Этому этапу соответст­вует участок 1 - 2. При частоте вращения 20-35% от номинальной количества воздуха, подаваемого компрессором, достаточно для ус­тойчивого горения топлива в камере сгорания.

Затем в камеру сгорания пода­ется и зажигается топливо, и прак­тически мгновенно температура и давление в ней резко возрастают (точка 3). Расход рабочего газа при этом немного уменьшается. Часто­та вращения ротора за это время практически не успевает изменить­ся и можно считать, что участок 2 -3 соответствует постоянной ча­стоте вращения. При зажигании топлива система регулирова­ния должна обеспечить такое его количество, чтобы компрессор не попал в помпаж (точка 3 находится правее границы помпажа- -пунктирная линия).

Следующий этап - увеличение частоты вращения ротора. Рас­кручивать ротор нужно по возможности быстрее, не допуская опять-таки помпажа. Система регулирования должна обеспечи­вать такой режим раскрутки, при котором гарантируется неко-

Рис. 145. Характерные этапы пуска ГТУ:

1 - запуск пускового двигателя,2 - зажигание топлива в камере сгора-вия, 3 - выход на режим работы вблизи границы помпажа, 4 - вы­ход на режим работы с предельной температурой газа перед турбиной, б - работа при постоянном расходе топлива, равном расходу на холос­том ходу, 6 - работа на холостом ходу

торый запас по отношению к границе помпажа (участок 3-4). При пониженных частотах с этой целью через антипомпажный клапан может сбрасываться до 30% воздуха, проходящего через компрессор.

При определенной частоте вращения турбина начинает выра­батывать такую мощность, что далее может вращать ротор ГТУ самостоятельно. Такой режим называют режимом самоходности (расход G c и степень сжатия е с). Пусковое устройство при; этом отключается.

Вследствие сжигания в камере сгорания все большего количе­ства топлива увеличивается частота вращения ротора и растет температура газа перед турбиной, которая, наконец, достигает пре­дельного значения (точка 4). Так как больше увеличивать темпе­ратуру газа нельзя, система регулирования автоматически ограничивает увеличение расхода топлива, но он продолжает расти, так как нужно увеличивать частоту вращения ротора и, следовательно, вырабатываемую турбиной мощность. Однако система регулирова­ния подает столько топлива, чтобы температура рабочего газа пе­ред турбиной сохранялась постоянной (участок 4 -5).

Наконец, расход топлива становится таким, каким он должен* быть на холостом ходу (точка 5). Для плавного выхода на холос­той ход без резкого увеличения частоты вращения (заброса) си­стема регулирования сохраняет расход топлива постоянным (учас­ток 5 -6) до тех пор, пока частота вращения ротора не станет равной его частоте вращения на холостом ходу.

После того как ГТУ начнет устойчиво работать на" холостом ходу, ее можно нагружать, увеличивая расход топлива. Если по­требителем мощности является электрический генератор, его сле­дует предварительно включить в сеть. Для этого надо так плавно регулировать частоту вращения ротора ГТУ, чтобы совпали не только частоты эдс на шинах электрического генератора и сети, но и их фазы. Эта процедура называется синхронизацией генера­тора. В момент совпадения частоты и фазы генератор подключа­ется к сети.

Если не провести синхронизацию, то в момент включения гене­ратора в сеть возникает толчок, поворачивающий ротор генера­тора по окружности настолько, чтобы фазы тока сети и эдс гене­ратора совпали.

Если в результате отказа при зажигании топлива в камере сго­рания или по другим причинам пуск ГТУ не состоялся, нельзя без вентиляции трактов подавать, топливо в камеру сгорания и под­жигать его. Это необходимо, чтобы удалить топливо, оставшееся в тракте после неудачного пуска. В ином случае возможно взрывообразное возгорание этого топлива (хлопок).

При нарушении установленной последовательности пусковых операций пуск ГТУ прекращается персоналом или защитами, ко­торые срабатывают при повышении температуры газа выше пре­дельной, недопустимом увеличении нагрузки пускового устройства или снижении частоты вращения ротора после отключения пускового устройства, помпаже и в других случаях, предусмотренных местными инструкциями. Кроме того, персонал должен отключить ГТУ при появлении стуков, скрежета и недопустимом увеличении вибрации.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам пуска и газоснабжения газоперекачивающих агрегатов, и может быть использовано при пуске любых газотурбинных установок. Способ пуска энергетической газотурбинной установки включает три этапа. На первом и втором этапах осуществляют раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора внешним пусковым устройством, например детандером, жестко соединенным через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора. Турбокомпрессор содержит компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, закрытым на первом этапе пуска и приоткрытом на втором. Последующее отсоединение от пускового устройства жестко связанных роторов компрессора и турбины при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты на третьем этапе за счет увеличения расхода и давления топливного газа. На выходе осевого компрессора устанавливают сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания. Пуск газотурбинной установки на первом и втором этапах осуществляют при открытом сбросном клапане, а перед отсоединением пускового устройства закрывают сбросный клапан. Изобретение направлено на уменьшение дисбаланса мощности, вызванного провалом частоты вращения ротора турбины и скачком температуры перед ней, в момент отключения пускового устройства при пуске газотурбинной установки. 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и газоснабжения газотурбинных установок (ГТУ) на газообразном топливе.

Пуск ГТУ является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от прогрева ГТУ. Рост температур ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГТУ близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно трубопроводов рециркуляции, что вызывает их вибрацию. В процессе запуска до выхода на режим «малого газа» валопроводы некоторых типов ГТУ проходят через обороты, совпадающие с частотой собственных колебаний, т.е. через резонансные обороты.

Пуск ГТУ осуществляется с помощью пусковых устройств. Для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) применяются турбодетандеры, работающие в основном на перепаде давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления. Турбодетандеры установлены на большинстве стационарных и некоторых авиационных ГПА. Иногда в качестве рабочего тела применяется сжатый воздух.

Кроме турбодетандера широкое применение нашли электростартеры, которые применяются на судовых ГПА. Ряд агрегатов оборудован системой гидравлического запуска. Мощность пусковых устройств составляет 0,3-3,0% мощности ГПА в зависимости от типа ГПА - авиационных или стационарных.

Рассмотрим типовой алгоритм автоматического запуска стационарного ГПА. При пуске ГПА можно выделить три этапа. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства.

На втором этапе раскрутка ротора турбокомпрессора производится совместно турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора, достаточных для зажигания смеси 400-1000 об/мин, включается система зажигания и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. О нормальном зажигании сигнализирует датчик - фотореле. Примерно через 1-2 мин после набора температуры примерно 150-200°С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий клапан на величину около 5% и начинается второй этап прогрева, который продолжается 10 мин. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия газорегулирующего клапана. При достижении оборотов примерно 50% от номинала турбина выходит на режим «самоходности». При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора. В этот момент для исключения провала частоты вращения ротора турбокомпрессора производится резкое открытие топливного регулирующего клапана на 2-3%.

На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых насосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата. (А.Н.Козаченко. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. - М.: Изд-во «Нефть и газ», 1999, с.459).

Недостатки известного технического решения заключаются в скачке температур продуктов сгорания в турбине при завершении второго этапа пуска. Это приводит к существенным температурным напряжениям в узлах турбины, к задеваниям рабочих лопаток об элементы уплотнений радиальных зазоров и, как следствие, к снижению ресурса мощности и экономичности ГТУ.

Известны способы пуска ГТУ со свободной силовой турбиной путем раскрутки ротора турбокомпрессора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (электродвигателей, паровых турбин, пневмостартеров, газотурбинных установок). (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. / Под. ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с.376-377).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ пуска и газоснабжения энергетической установки по патенту РФ №2186224, который включает раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем (первый этап).

После достижения связанными роторами дожимного компрессора и турбокомпрессора пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа, подают топливный газ в камеру сгорания и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через газовую турбину ГТУ, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы. По мере раскрутки связанных роторов при достижении так называемого режима «самоходности» производят отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов (второй этап), а степень открытия регулирующего клапана топливного газа увеличивают, что повышает обороты роторов турбокомпрессора. Дальнейший вывод на рабочие обороты достигается за счет увеличения расхода и давления топливного газа (третий этап).

Этому техническому решению также присущи описанные выше недостатки, связанные со скачком температур при отсоединении пускового устройства.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа пуска газотурбинной установки, позволяющего уменьшить дисбаланс мощности при отключении пускового устройства не за счет увеличения расхода топлива при пуске ГТУ. Этот дисбаланс мощности проявляется в провале частоты вращения вала турбины с одновременным значительным скачком температуры перед ней.

Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее внешнее пусковое устройство (турбодетандер), жестко соединенный через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора, включающего компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, который на первом этапе пуска закрыт, а на втором - приоткрывается, с увеличением степени его открытия на третьем этапе пуска, внесены изменения, позволяющие изменить алгоритм пуска ГТУ, а именно;

На выходе осевого компрессора устанавливается сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания:

Пуск ГТУ на первом и втором этапах осуществляется при открытом сбросном клапане;

При достижении режима «самоходности» перед отключением детандера сбросный клапан закрывают.

В результате появляющегося при этом дополнительного расхода воздуха через турбину уменьшается дисбаланс мощности, возникающий при отключении детандера, при этом увеличение расхода воздуха через камеру сгорания при подрыве топливного регулирующего клапана (ТРК) приводит к существенному снижению скачка температуры перед турбодвигателем.

На фиг.1 показана схема, реализующая предлагаемый способ пуска ГТУ, а на фиг.2 приведен график пуска ГТУ по прототипу и по предлагаемому изобретению.

Основными элементами схемы являются: 1 - внешний пусковой двигатель (детандер); 2 - расцепная муфта; 3 - осевой компрессор; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - приводная газовая турбина; 6 - сбросный клапан; 7 - камера сгорания; 8 - силовая газовая турбина; 9 - нагрузка; 10 - система автоматического управлений (САУ).

Предлагаемый способ пуска ГТУ осуществляется автоматически по командам САУ следующим образом. Внешним пусковым двигателем 1 раскручивают через расцепную муфту 2 жестко связанные валы осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5. Регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыт, а сбросный клапан 6 открыт.Воздух, проходя через камеру сгорания 7, поступает в приводную турбину, раскручивая вышеупомянутые связные валы за счет расширения газа. При достижении связанными роторами пусковых оборотов приоткрывают топливно-регулирующий клапан 4, а при достижении режима «самоходности» сбросной клапан закрывают, при этом расцепной муфтой 2 автоматически отсоединяется ротор пускового двигателя 1 от связанных роторов осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5, а степень открытия топливно-регулирующего клапана увеличивают.

Рассмотренный способ пуска может быть применен для любой ГТУ, где используется пусковой турбодетандер.

На фиг.2 показаны пусковые характеристики газотурбинной установки ГТК-10 при алгоритме пуска по прототипу (известному) и по предлагаемому алгоритму.

Из анализа графиков на фиг.2 можно сделать вывод о том, что после отключения пускового турбодетандера (при частоте вращения 2600-2800 об/ мин - режим «самоходности») провал частоты вращения ротора турбокомпрессора уменьшился с 300 об/мин до 50 об/мин, т.е. в 6 раз, а скачок температуры продуктов сгорания при этом снизился на 50°С, т.е. в два раза.

Таким образом, предлагаемый алгоритм пуска ГТУ позволяет значительно уменьшить провалы частоты вращения вала турбокомпрессора и скачок температуры продуктов сгорания в турбине, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение ресурса ГТУ и снижение расхода топлива.

Внедрение предлагаемого алгоритма пуска ГТУ было осуществлено в июле 2007 г. на газоперекачивающем агрегате (ГПА) ГТНР-16 и планируется к внедрению на ГПА ГТК-10.

Способ пуска энергетической газотурбинной установки, включающий три этапа, причем на первом и втором этапах осуществляют раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора внешним пусковым устройством, например, детандером, жестко соединенным через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора, включающего компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, закрытым на первом этапе пуска и приоткрытом на втором, отсоединение от пускового устройства жестко связанных роторов компрессора и турбины при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты на третьем этапе за счет увеличения расхода и давления топливного газа, отличающийся тем, что на выходе осевого компрессора устанавливают сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания, причем пуск газотурбинной установки на первом и втором этапах осуществляют при открытом сбросном клапане, а перед отсоединением пускового устройства закрывают сбросный клапан.

Пуск ГПА является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. Это связано с тем, что при пуске ГПА одновременно включаются в работу очень большое количество систем как самого агрегата, так и вспомогательных систем КС, от подготовки и правильной настройки которых зависит, насколько надежно этот пуск осуществляется .

В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от перегрева ГТУ. Рост теплового состояния ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГПА близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно для трубопроводов рециркуляции, и вызывает их вибрацию.

Пуск ГПА осуществляется с помощью пусковых устройств. В качестве основных устройств применяются турбодетандеры, работающие в основном за счет давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления.

Схема обвязки пускового устройства и топливного газа показана на рис 6.9
.

Рис. 6.9 Принципиальная схема системы топливного и пускового газа:

ТГ – топливный газ; ПГ – пусковой газ; ВЗК – воздухозаборная камера;

ТД – турбодетандер; ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания;

ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления;

Н – нагнетатель; РЕГ – регенератор; РК – регулирующий кран

Пуск ГПА включает несколько этапов.

Первый этап – подготовительный, когда идет внешний осмотр оборудования для исключения посторонних предметов, проверяется крепление оборудования, подверженного вибрации, проверяется положение кранов: краны 1, 2, 4, 6 – закрыты, кран 5 – открыт, закрыты краны на линиях подачи пускового газа в турбодетандер и топливного газа в камеру сгорания.

Второй этап – путем имитации производится проверка защит и сигнализации ГПА. При этом защиты разделяются на две группы: защита КС и защита ГПА.

Защита КС – это защита цеха от загазованности, пожара, защита по давлению на выходе станции, защита от аварийных ситуаций на трассе, защита по температуре газа при входе в МГП и др.

Защита ГПА – это защита по давлению масла в маслосистемах (не менее
0,2 кг/см 2), защита по погашению факела в камере сгорания, защита по превышению числа оборотов вала детандера, ТВД, ТНД, защита по температуре подшипников, защита по вибрации и др.

Третий этап – непосредственно пуск ГПА.

Рассмотрим типовой алгоритм запуска стационарного ГПА с полнонапорным нагнетателем. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства, а сам алгоритм протекает следующим образом. После нажатия кнопки "Пуск" включается пусковой насос масло-смазки и насос масло-уплотнения. Открывается кран № 4 и при открытом кране № 5 осуществляется продувка контура нагнетателя, в течение 15-20 с. После закрытия крана № 5 и роста давления в нагнетателе до перепада 0,1 МПа на кране № 1 производятся открытие крана № 1, закрытие крана № 4, открытие агрегатного крана № 6. При этом произошло заполнение контура нагнетателя, и такой пуск называется пуском ГПА с заполненным контуром.

Далее включается валоповоротное устройство, вводится в зацепление шестерня турбодетандера, открывается гидравлический клапан № 13. Затем открывается кран № 11, закрывается кран № 10 и отключается валоповоротное устройство. Агрегат начинает вращаться от турбодетандера.

Первый этап раскрутки заканчивается открытием крана № 12 и закрытием крана № 9.

На втором этапе раскрутка роторов производится совместно с турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора 400÷1000 об/мин включается система зажигания и открывается кран, подающий газ на запальное устройство камеры сгорания. После зажигания через 2-3 с открывается кран № 14 и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. Через 1-3 мин. после набора температуры ~ 150-200 °С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий кран РК на величину 1,5-2 мм и начинается второй этап прогрева, который продолжается ~ 40 с. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия регулирующего крана РК. При достижении оборотов ~ 40÷45 % от номинала турбина выходит на режим. Закрываются краны № 13 и 11, открывается кран № 10. При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора.

На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых маслонасосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата.

При увеличении частоты вращения до величины, равной частоте вращения других нагнетателей цеха, открывается кран № 2 и закрывается агрегатный кран № 6, включается табло "Агрегат в работе".

Пуск агрегата запрещается:

При неисправности любой, хотя бы одной защиты на ГПА;

При не до конца собранных деталях и трубопроводов агрегата;

При повышенном перепаде масла на фильтрах, неудовлетворительном качестве масла, наличии утечек масла смазки и масла уплотнения;

При неустранении дефектов, обнаруженных на ГПА, до вывода в ремонт;

При вынужденной и аварийной остановках до устранения причины, вызвавшей остановку;

При неисправности системы пожаротушения и контроля загазованности, а также при обнаружении промасленных участков газоходов и воздуховодов.