Вивчення конструкційних особливостей газотурбінних установок(гту)

Вивчити конструкції газотурбінних установок, функційне призначення та особливості процесів у основних елементах ГТУ.

На компресорних станціях магістральних газопроводів газотурбінні установки (ГТУ) відкритого циклу середньої потужності (від 6 до 25 мВт).застосовуються для привода компресорів (нагнітачів ). ГТУ цього типу мають певні переваги в порівнянні з іншими типами теплових двигунів. На відміну від поршневих теплових двигунів ГТУ мають більш просту будову. У них відсутній зворотньо поступальний рух, немає складних передач робочого органа (поршня) до силового валу, тому вони більш компактні і транспортабельні. Останнє особливо відноситься до ГТУ компресорних станцій, що створені на базі авіаційних або судових турбін. ГТУ відрізняються високою одиничною потужністю і відповідно малою масою на одиницю потужності. Важливою властивістю ГТУ, як привода нагнітачів, є високообертальність. Сучасні газотурбінні установки мають досить високу економічність (ККД досягає 35-36%), високу механічну надійність, прості в обслуговуванні, зручні для регулювання. У порівнянні з іншими тепловими двигунами ГТУ найбільш екологічно чисті. Найбільш широкого використання газотурбінні установки набули у авіаційних двигунах, так як там переваги ГТУ з масогабаритних показників мають превалюючи значення.

До недоліків ГТУ відкритого циклу можна віднести залежність її потужності і економічності (ККД) від погоди. Крім того для цих двигунів, як і для іншого типу турбін, характерний високочастотний шум.

У 50 –60 –ті роки минулого століття для перекачування газу магістральними газопроводами в основному використовувались газомотокомпресори. Будівництво магістральних газопроводів великих діаметрів, що почалося в кінці цього періоду , вимагало використання більш продуктивних і потужних газоперекачувальних агрегатів. У результаті з розвитком мережі газопроводів малопродуктивні газомотокомпресори поступово витісняються більш продуктивними агрегатами, що складались з відцентрових нагнітачів з приводом від газових турбін.

Перша вітчизняна одновальна газотурбінна установка ГТ-700-4 для компресорних станцій магістральних газопроводів була виготовлена Невським машинобудівним заводом ( НЗЛ) на початку 50-х років. Агрегат мав потужність 4 МВт при номінальній частоті обертання 3000 об/хв. Крутний момент з вала ГТУ передавався через підвищувальний редуктор на вал робочого колеса нагнітача типа 280. Одним з суттєвих недоліків цієї установки був жорсткий зв’язок обертів вала нагнітача і вала осьового компресора турбіни. При регулюванні режиму роботи нагнітача зменшенням обертів робочого колеса пропорційно зменшувались оберти вала осьового компресора, що призводило до різкого зменшення потужності ГТУ. Крім того важкий потужний редуктор суттєво збільшував масу і здорожчував установку в цілому.

На базі ГТУ ГТ-700-4 була створена і в 1961 р. виготовлена більш досконала двовальна установка ГТ-700-5 потужністю 4250 кВт з температурою продуктів згорання перед турбіною 700 ⁰С. Із використанням регенерації тепла агрегат мав ефективний ККД. 25%. При регулюванні режиму нагнітача зміною обертів установка зберігала відносно стабільну потужність, оскільки оберти компресорної турбіни змінювались при цьому незначно. Як і в попередній установці в ГТУ ГТ-700-5 застосовувався підвищувальний редуктор.

Наступним кроком в удосконаленні ГТУ НЗЛ для компресорних станцій було створення агрегату ГТК-5. На відміну від ГТ-700-5 нова газотурбінна установка не мала редуктора , що дозволило суттєво зменшити її масу . Удосконалення проточної частини газової турбіни разом з виключенням редуктора дозволило збільшити корисну потужність агрегату до 4400 кВт. Одночасно з ГТУ ГТК-5 заводом НЗЛ була розроблена і виготовлена газотурбінна установка потужністю 6 МВт – ГТ-750-6. За рахунок збільшення температури продуктів згорання перед турбіною до 750⁰C був збільшений ефективний ККД агрегату до 27%. У порівнянні з ГТУ ГТК-5 незначно зросла маса турбогрупи ГТУ ГТ-750-6 (з 46 до 52 т ), зменшилась питома маса газоперекачувального агрегату в цілому. Створені на базі газотурбінної установки ГТ-700-5 агрегати ГТК-5 і ГТ-750-6 мають багато аналогічних конструктивних рішень. Конструкції кількох модифікацій газотурбінної установки ГТК-10 є подальшим розвитком конструкцій цих агрегатів . Найбільш досконалою установкою сім’ї ГТК-10 є агрегат ГТК-10-4. Удосконалення проточної частини турбіни , підвищення номінальної температури робочого тіла на виході з камери згорання до 780⁰С і застосування регенерації дозволило збільшити ефективний ККД установки до 29%. Була сут- тєво збільшена продуктивність ГПА і зменшена питома маса установки. Елементи конструкції ГТУ ГТК-10 на прикладі модифікації ГТК-10-3 показані на рисунку 6.

Перша вітчизняна газотурбінна установка без регенерації тепла вихлопних газів ГТ-6-750 була виготовлена на Уральському турбомоторному заводі ( УТМЗ) в 1965 році. На відміну від ГТУ НЗЛ установка мала вбудовану секційну камеру згорання і багатоступінчасті турбіни високого і низького тиску. Модернізований варіант цієї установки – ГТН-6, виготовлений в 1975 році, має блочну конструкцію і встановлюється на нульовій відмітці, ГТУ і нагнітач розміщені на загаль- ній рамі. Секційна камера згорання агрегату ГТ-6-750 була за мінена більш досконалою кільцевою камерою. Конструкція газотурбінної установки ГТН-16 була подальшим розвитком конструкцій ГТ-6-750 і ГТН-6. ГТУ і нагнітач Н-16 змонтова- ні на загальній рамі-маслобаку і створюють єдиний транспор- табельний блок . Агрегат встановлюється в легкозбірному індивідуальному боксі. Разом із збільшенням потужності з 6 до 16 МВт майже в два рази була зменшена питома вага ГПА. Збільшення максимальної температури робочого тіла від 760 ⁰С до 920 ⁰С і ступіня підвищення тиску ОК з 6 до 11,5 зумовило зріст ефективного ККД установки з 24 до 29%. З 1983 р. завод виробляє газотурбінні установки ГТН-25 номінальною потужністю 25 МВт з високими параметрами циклу. Ефективний ККД ГТУ досягнув 31 % . Практично одночасно на НЗЛ були розроблені і виготовлялись ГПА тієї самої потужності і продуктивності. Параметри циклу установки НЗЛ були нижчі і ККД. її відповідно складало 27%. Особливістю обох установок є блочна конструкція, безпідвальне розміщення в індивідуальному укритті , висока заводська готовність окремих блоків, відсутність регенерації тепла. Питома маса газоперекачувальних агрегатів складає 5,4 кг/кВт (УТМЗ) і 6,3 кг/кВт (НЗЛ).

У зв’язку з інтенсивним будівництвом магістральних газопроводів у 70-ті роки минулого століття відчувалася не­стача стаціонарних газотурбінних установок, спроектованих спеціально для привода нагнітачів на компресорних станціях. У той же час була можливість використання авіаційних газо­турбінних двигунів, що відпрацювали свій льотний ресурс.

У 1972-1974 роках на базі конвертованого авіаційного двигуна НК-12СТ був створений газоперекачувальний агрегат ГПА-Ц-6,3 номінальною потужністю 6,3 МВт. Двигун НК-12СТ (ри­сунок 6.1) має вільну силову турбіну 4. Номінальна темпера­тура робочого тіла після камери згорання 2 перед компресор­ною турбіною 3 дорівнює 810 ⁰С. Ступінь підвищення тиску чотирнадцятиступінчастого осьового компресора 1 дорівнює 7,8 ,масова продуктивність компресора – 56 кг/с.

Практика використання авіаційних двигунів на компресорних станціях магістральних газопроводів показала певні їх переваги у порівнянні з стаціонарними газотурбінними двигунами. Блочно-контейнерна конструкція агрегатів дозволила відмовитись від будівництва дорогих стаціонарних будівель для ГПА, значно полегшила і здешевіла транспортування, монтаж і ремонт обладнання. Використання двигунів, що відпрацювали свій ресурс, суттєво зменшило капітальні витрати на будівництво таких КС.

Наступним етапом освоєння авіаційних двигунів на компресорних станціях було введення в єксплуатацію газоперекачувального агрегату ГПА-Ц-16, створеного на базі авіаційного двигуна НК-16СТ потужністю 16 МВт. Агрегат має три одноступінчасті турбіни – дві компресорні і одну силову . Два осьових компресора працюють послідовно без проміжного охолодження. Компресор низького тиску має чотири ступеня, компресор високого тиску – шість. Загальний ступінь підвищення тиску осьових компресорів складає 9.7. Температура робочого тіла на вході в проточну частину турбіни високого тику дорівнює 810 ⁰С, ефективний ККД агрегату 27.5%.

На протязі останнього десятиріччя на КС газопроводів України активно впроваджуються газотурбінні авіаційні двигуни, конвертовані спеціально для умов газотранспортної системи, виробництва АТ “ Мотор-Січ”. На базі авіаційних двигунів Д-336, Д-18Т розроблені газоперекачувальні агрегати ГПА-Ц-6,3А потужністю 6,3 МВт і ГПА-Ц-25А потужністю 25 МВт, номінальні ефективні ККД двигунів відповідно дорівнюють 32 і 36,5%. Двигуни АИ-336-2-8 , АИ-336-1/2-10, розроблені КБ “Прогрес” (Запоріжжя) для газотранспортних підприємств ,призначені для привода нагнітачів потужністю 8 і 10 МВт.

В 1979 р. на виробничому об’єднанні “ Зоря “ (Миколаїв) на базі двигуна суднового типу ДР59Л був створений і виготовлений газоперекачувальний агрегат ГПА-10. За своїми характеристиками ( розміри, питома вага, ефективний ККД) установка близька до авіаційних агрегатів. У наступні роки на базі суднових двигунів ДТ-71П, ДГ-90,ДН-80 Сумське машинобудівне НВО ім.Фрунзе і НВО “Машпроект” розробили газоперекачувальні установки нового покоління потужністю відповідно 6,3 МВт , 16 МВТ і 25 МВт. Особливістю цих агрегатів є тривальна конструкція . Газотурбінні двигуни складаються з турбокомпресора і силової турбіни, що розташовані на загальній рамі. Турбокомпресор складається з двох осьових компресорів низького ( КНТ) і високого тиску (КВТ), які приводяться в дію двома незалежними турбінами, - турбіною низького ( ТНТ) і високого тиску (ТВТ). Осьові компресори і відповідні турбіни створюють два кінематично не пов’язані між собою каскади – каскад низького тиску і каскад високого тиску, що обертаються з різними швидкостями при будь-якому режимі агрегату. Силова турбіна розташована за турбіною низького тиску і кінематично не зв’язана з турбокомпресором. Двигуни обладнані камерою згораня трубчасто-кільцевого типу. Жарові труби розташовані по колу вздовж осі двигуна і поміщаються в загальному корпусі. Осьові компресори, камера згорання і турбіни розташовані послідовно і мають загальний корпус. Агрегати мають блочно-модульну конструкцію , розташовуються в блок-боксах на нульовій відмітці. Монтаж блок-боксів і блоків агрегату на будівельному майданчику полягає тільки в з’єднанні блоків між собою, установці їх на фундаментах і підключенні до зовнішніх комунікацій.

Газотурбінний двигун - це тепловий двигун, в якому теплова енергія робочого тіла перетворюється в кінетичну енерію в сопловому апараті газової турбіни і потім в механічну роботу ту на робочих лопатках ротора турбіни. Як робоче тіло в газотурбінних двигунах застосовується газ, що не конденсується – повітря, продукти згорання , інертні гази.

У залежності від способу підведення тепла до робочого тіла, процесів стиснення і розширення робочого тіла газотур бінні установки (ГТУ) можуть бути виконані по відкритому і закритому циклах. У ГТУ відкритого циклу атмосферне повіт ря стискається, нагрівається продуктами згорання палива , розширяється в газовій турбіні і викидається в атмосферу. Тобто робоче тіло використовується в таких ГТУ одноразово і відбувається постійна заміна робочого тіла. Цикл «відкри тий» в атмосферу на вході і виході з ГТУ. У ГТУ закритого циклу постійно циркулює та сама кількість робочого тіла. Крім того, особливістю ГТУ цього типу є відносно високий тиск робочого тіла. У закритих циклах тепло підводиться і відводиться в спеціальних теплообмінниках і робоче тіло не змішується з продуктами згорання. Густина робочого тіла в ГТУ закритого циклу суттєво більша ніж у ГТУ відкритого циклу, тому при однакових потужностях ГТУ закритого ци- клу більш компактні.

У залежності від термодинамічного процесу підведення тепла розрізняють ГТУ з підведенням тепла при сталому тис ку і ГТУ з підведенням тепла при сталому об’ємі. У газонафтовій промисловості застосовуються ГТУ першого типу. Перевагою ГТУ другого типу, в якому не застосовують потужних осьових компресорів, є зменшення роботи стиснення робочого тіла , що призводить до збільшення ККД циклу . Але складність конструкції камери згорання , пульсуючий режим роботи ГТУ , що обумовлюють низьку надійність установки , зводять нанівець переваги циклу цих ГТУ.

.

А–одновальна ГТУ ; Б–двовальна ГТУ ; 1- осьовий компресор; 2 – камера згорання ; 3 – газова турбіна ; 4,6 – нагнітач ; 5 - силова турбіна.; ВТ – вторинне повітря.

Рисунок 1.- Принципові схеми ГТУ відкритого циклу

Найпростіша газотурбінна установка відкритого циклу з підведенням тепла при сталому тиску складається з газової турбіни (ГТ) , де енергія робочого тіла перетворюється в меха- нічну енергію на роторі турбіни , осьового компресора (ОК) , де відбувається стиснення робочого тіла ( у даному разі, повітря ) , камери згорання (КЗ) , де згорає паливний газ і відбувається змішування продуктів згорання з так званим вторинним повітрям, і фільтра, де очищується повітря, що всмоктуєтся осьовим компресором.

С хема такої газотурбінної установки, що працює по відкритому циклу , показана на рисунку 1.А. Така ГТУ має один вал, що з’єднує ротор газової турбіни з ротором осьового компресора і робочим колесом нагнітача. Таким чином при будь-яких режимах роботи

Рис.2. Загальний вид газотурбінного установки (двигуна)

газоперекачувального агрегату частота обертів робочого колеса нагнітача і ротора осьового компресора буде однаковою. У цьому випадку зменшення обертів нагнітача ( що може бути необхідним при регулюванні режиму роботи компресорної станції) спричиняє суттєве зниження потужносьті ГТУ, оскільки разом з тим зменшується продуктивність осьового компресора.

На рисунку 1.,Б наведена схема двовальної установки, де одна турбіна приводить у дію осьовий компресор (це так звана компресорна турбіна) і друга (силова турбіна ) обертає робоче колесо нагнітача. Таким чином, така ГТУ має два вали, що механічно не зв’язані між собою. На компресорних станціях магістральних газопроводів застосовуються в основному двовальні ГТУ. В останні роки на компресорних станціях застосовують також тривальні ГТУ, що мають два осьових компресора з окремими приводними турбінами.

Етапи робочого процесу відбуваються в такій послідовності :

атмосферне повітря після очищення в повітрозабірному пристрої (фільтрі) від механічних часток і крапель рідини надходить на вхід осьового компресора. Тиск на вході в осьового компресору враховуючи гідравлічні втрати в повітрозабірному пристрої , буде дещо нижчим ніж атмосферний тиск ; температура на вході в осьовому компресорі практично дорівнює атмосферній .

В осьовому компресорі 1 ( Рис.2) повітря стискається до 0,5 – 2 МПа, температура повітря при цьому зростає до 180 ⁰С – 400 ⁰С. З такими параметрами повітря надходить у камеру згорання 2 , де потік розподіляється на дві частини : менша частина безпосередньо приймає участь у процесі згорання паливного газу , більша частина (це вторинне повітря ) рухається в кільцевому просторі камери згорання , між корпусом і жаровою трубою, охолоджуючи останню.

У кінцевій частині камери згорання вторинне повітря перемішується з продуктами згорання, зменшуючи їх температуру до рівня, що залежить від жаростійкості лопаток і дисків газової турбіни ( до 800 ⁰С – 1200 ⁰С для сучасних стаціонарних ГТУ ) .

У проточній частині газової турбіни відбувається процес перетворення енергії робочого тіла ( суміші повітря і продуктів згорання ) в механічну енергію ротора, що обертається. Температура робочого тіла в цьому процесі знижується до 400 ⁰С – 550⁰С і по виході з турбіни викидається в атмосферу. Потужність газової турбіни розподіляється між споживаною потужністю осьового компресора (60–70% потужності ГТ ) і споживаною потужністю нагнітача. Таким чином корисна потужність ГТУ дорівнює 30–40% загальної потужності газової турбіни.