Лекция Газотурбинные установки.

Современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Турбина, в которой газ расширяется до атмосферного давления, преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры газа в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.

В отличие от паротурбинных установок (ПТУ), где рабочим телом является пар, ГТУ работают на продуктах сгорания топлива. Кроме того, в отличие от ГТУ в состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ же наоборот камера сгорания является ее неотъемлемой частью. В этом смысле ГТУ самодостаточна. По способу подвода теплоты при постоянном давлении p=const и при постоянном объеме v=const. Все современные ГТУ работают с подводом теплоты при p=const. Существуют открытые (разомкнутые) и закрытые (замкнутые) схемы ГТУ

Простейшая схема открытой ГТУ в условных обозначениях, а также ее термодинамический цикл представлены на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора (точка 1), который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором к давлению перед нимназывается степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания (точка2). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подводится топливо (газ или жидкое топливо), за счет сжигания которого при постоянном давлении p=const образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рисунок 1 – Простейшая схема открытой ГТУ и ее термодинамический цикл

Рабочие газы с давлением из–за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины (точка3), где расширяются практически до атмосферного давления (точка4). Далее они поступают в выходной диффузор, откуда – или сразу в дымовую трубу, что вызовет значительные потери теплоты, или предварительно в какой–либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.

В замкнутой схеме (рис.2) вместо камеры сгорания применяют поверхностные подогреватели рабочего тела, а отработавший в турбине газ (например, гелий) охлаждается в специальных охладителях до наиболее низкой температуры, после чего поступает в компрессор. Термодинамический цикл данной схемы аналогичен циклу открытой ГТУ.

Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Значительная ее часть тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Эту часть называют полезной мощностью ГТУ и указывают при ее маркировке.

В реальных ГТУ все протекающие процессы сопровождаются потерями работы в компрессоре и турбине, а также потерями давления по тракту ГТУ. С учетом этих потерь реальный цикл отличается от идеального. В состав реальной ГТУ входят камера сгорания (подогреватель рабочего тела в закрытой схеме), газовая турбина, компрессор, пусковой двигатель, теплообменники различного назначения (регенеративные подогреватели, промежуточные подогреватели в турбинах) и различное вспомогательное оборудование, а также электрогенератор, если назначением ГТУ является производство электрической энергии. Турбина, компрессор и генератор размещаются на одном валу. Пусковой двигатель присоединяется расцепной муфтой. В простейших ГТУ приблизительно 70 % мощности, развиваемой турбиной, расходуется на привод компрессора, а 30 % на привод генератора. Степень повышения давления в компрессоре =6…7, КПД установки 24…27 %, температура перед турбиной 750…800 °С. Диапазон начальных температур перед газовой турбиной в ГТУ составляет 750…1150 °С, поэтому исходя из условий прочности, элементы установки, работающие при высоких температурах, выполняют из высоколегированных сталей, а для повышенной надежности предусматривают их воздушное охлаждение.

Рисунок 2 – Простейшая схема замкнутой ГТУ

Отработавшие газы турбины имеют высокую температуру, поэтому их удаление в окружающую среду в открытой схеме ГТУ приводит к значительным потерям энергии. В целях повышения КПД установки применяют регенеративный подогрев сжатого воздуха уходящими газами турбины. Это увеличивает степень использования теплоты сожженного в камере сгорания топлива и энергетическую эффективность установки.

В идеальной ГТУ с регенерацией, схема и цикл которой показаны на рисунке 3, выхлопные газы турбины можно охладить до температуры, равной температуре воздуха за компрессором, т.е. до , а сжатый компрессором воздух можно нагреть до температуры, соответствующей температуре на выхлопе турбины, т.е. до. В реальной установке воздух в регенеративном теплообменнике нагреется до температуры, которая ниже, а выхлопные газы охладятся в этом же теплообменнике до температуры, которая вышена величину , обычно равную в открытых схемах 60…80 °С. Реальные ГТУ, работающие по разомкнутой схеме при начальной температуре 750…850 °С, имеют степень регенерации, а эффективный КПД 26,5…30 %.

Рисунок 3 – Схема и цикл ГТУ с регенерацией

ГТУ, обеспечивающие комбинированную выработку электрической и тепловой энергии, называются теплофикационными. Выработка тепловой энергии осуществляется за счет использования теплоты газов, уходящих из турбины с высокой температурой, для нагрева воды и получения пара. Нагрев воды, идущей на отопление и бытовые нужды, отработавшими газами турбины является наиболее простым способом повышения тепловой экономичности ГТУ.

В ГТУ применяется газообразное и легкое жидкое топливо. При использовании жидкого топлива тяжелых сортов, содержащего вредные примеси, нужна специальная система топливоподготовки для предотвращения коррозии деталей турбины под воздействием содержащихся в тяжелом топливе соединений серы и ванадия. Проблема использования твердого топлива в ГТУ находится в стадии интенсивной опытно-промышленной разработки.

Технология пуска турбины в большой степени зависит от температурного состояния оборудования перед ним. Различают пуски из холодного, неостывшего и горячего состояний. Если температура турбины не превышает 150 °С, то считают, что пуск произведен из холодного состояния. Для мощных энергоблоков для остывания до такой температуры требуется до 90 часов. Пускам из горячего состояния соответствует температура турбины 420-450 °С и выше (достигается за 6-10 часов). Неостывшее состояние является промежуточным. Всякое удлинение пуска приводит к дополнительным затратам топлива. Поэтому пуск должен производиться быстро, однако не в ущерб надежности. Пуск турбины запрещается:

при неисправности основных приборов, показывающих протекание теплового процесса в турбине и ее механическое состояние (тахометры, термометры, манометры и т.п.);

при неисправной системе смазки, обеспечивающей смазку подшипников;

при неисправности систем защиты и регулирования;

при неисправном валоповоротном устройстве.

Для запуска в работу ГТУ необходимо пусковым устройством (ПУ) привести во вращение ротор турбокомпрессора, воздух от компрессора одновременно с топливом подать в камеру сгорания для ее зажигания и для выполнения дальнейших операций по пуску ГТУ. В качестве пускового устройства могут быть использованы различные средства: электродвигатель, паровая или газовая (воздушная) турбина, двигатель внутреннего сгорания. Для крупных энергетических турбин, как правило, в качестве ПУ используется собственный электрический генератор ГТУ, разворачивающий ротор ГТУ до частоты вращения равной 0,2 – 0,3 номинальной. В период пуска регулирующие направляющие аппараты компрессора должны быть прикрыты для снижения расхода воздуха. В начале пуска открыты антипомпажные клапаны. Топливо подается в камеру сгорания, и образующаяся в смесительном устройстве камеры сгорания топливовоздушная смесь зажигается при помощи запального устройства (плазменного зажигателя). Расход топлива увеличивается путем открытия топливного клапана. Это вызывает рост температуры газов перед турбиной, мощность турбины и частота вращения ротора. При определенной температуре газа перед турбиной и некоторой частоте вращения устанавливается равенство мощности газовой турбины и мощности, потребляемой воздушным компрессором. В этом состоянии после небольшого дополнительного увеличения расхода топлива пусковое устройство отключается, и ГТУ переходит в режим самоходности. При дальнейшем увеличении расхода топлива турбоагрегат разворачивается газовой турбиной до достижения номинальной частоты вращения, затем производится синхронизация электрического генератора с сетью и включение его в сеть. Таким образом агрегат выводится в режим холостого хода. В процессе пуска антипомпажные клапаны закрываются, а регулируемые направляющие аппараты устанавливаются в положения, предписываемые программой запуска.

В процессе нагружения ГТУ до номинальной мощности увеличивается расход топлива открытием регулирующего клапана, изменяются углы установки регулируемых направляющих аппаратов компрессора по соответствующей программе, расход воздуха увеличивается до номинального значения. Эксплуатация ГТУ в общем случае состоит из пуска, работы с электрической и тепловой нагрузкой и остановки. Наиболее простой является работа при постоянной нагрузке. Основной задачей персонала, обслуживающего турбоустановку, при нормальной работе является обеспечение заданной электрической и тепловой мощности при полной гарантии надежной работы и максимально возможной экономии.

Режимы работы ГТУ можно поделить на стационарные и переменные.

Стационарный режим отвечает работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке. Он может протекать как при номинальной, так и при частичной нагрузке. До недавнего времени этот режим был основным для ГТУ. Турбина останавливалась несколько раз в год из-за неполадок или плановых ремонтов.

Переменные режимы ГТУ определяются следующими по отношению к ГТУ причинами. Первая причина – необходимость изменить мощность, вырабатываемую ГТУ, если изменилась мощность, потребляемая, например, электрическим генератором, из-за изменения подключенной к генератору электрической нагрузки потребителей. Если ГТУ приводит электрический генератор, включенный параллельно с другими производителями мощности, т.е. работающий на общую сеть (энергосистему), то необходимо изменить мощность данной ГТУ в случае изменения общей потребляемой мощности в системе. Вторая причина – изменение атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, забираемого компрессором. Наиболее сложным нестационарным режимом является пуск ГТУ, включающий многочисленные операции перед толчком ротора. К нестационарным режимам относят резкие изменения нагрузки (сброс или наброс), а также остановку турбины (разгружение, отключение от сети, выбег ротора на остывание).

Таким образом, для ГТУ основной задачей управления является обеспечение необходимой мощности, а для энергетических ГТУ – постоянство частоты вращения приводимого электрического генератора. Переменные режимы работы ГТУ следует осуществлять таким образом, чтобы экономичность при каждом режиме была максимально высокой. Регулирование режима ГТУ производится воздействием на регулирующие топливные клапаны, подающие топливо непосредственно в камеру сгорания , что обусловливает низкую инерционность процесса подвода теплоты к рабочему телу в камере сгорания. ГТУ чувствительны к изменению атмосферных условий. Для них имеется опасность возникновения помпажа компрессора. Для пуска ГТУ необходимо, чтобы на всех возможных режимах работы помпаж был исключен. Для пуска ГТУ необходима предварительная раскрутка ротора при помощи пускового устройства.

В современных крупных ГТУ используются автоматизированные системы управления, выполняющие следующие функции:

– автоматическое дистанционное управление пуском, нагружением и остановкой ГТУ;

– регулирование таких параметров, как частота вращения турбоагрегата с заданной степенью неравномерности, температуры газа перед турбиной и за ней, активная нагрузка электрического генератора, режим работы компрессора на необходимом удалении от границы помпажа;

– защита ГТУ, а именно отключение и остановку при аварийных ситуациях, из которых наиболее серьезными являются такие, как недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение частоты ротора, недопустимое падение давления масла для смазки подшипников, недопустимый осевой сдвиг ротора, погасание факела в камере сгорания, приближение к границе помпажа компрессора, недопустимое повышение виброскорости шеек ротора и корпусов подшипников.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности ГТУ, называется отказом. Для поддержания высокой надежности и безотказности оборудование проходит техническое обслуживание, текущий, средний или капитальный ремонты. При текущем и среднем ремонтах заменяются или восстанавливаются поврежденные детали и узлы, а при капитальном проводится полное восстановление работоспособности. При нормальной эксплуатации ГТУ необходимы тщательный уход и регулярные проверки систем защиты и регулирования, осуществляемые вахтенным персоналом и инженером, отвечающим за работу этой системы. Надежность ее эксплуатации зависит от тщательности осмотра доступных узлов систем регулирования и защиты, сравнения текущих показателей приборов с предшествующими, выполнения всех проверок и операций, предусмотренных инструкциями, составленными с учетом требований заводов-изготовителей турбин правил техники эксплуатации (ПТЭ) и методических указаний по проверке и испытаниям. Особое внимание при осмотре должно уделяться потенциальным источникам утечек масла. Необходимо следить за положением гаек, стопорных деталей и другого крепежа на штоках, золотниках, поскольку эти детали работают в условиях вибраций, вызывающих их отвинчивание и нарушение работы. Необходимо следить за механическим состоянием всех доступных узлов: кулачковых механизмов, их валов, подшипников, пружин и т.д. Особое внимание следует обращать на колебания регулирующих органов, которые могут вызвать обрыв приводных штоков вследствие усталости. Необходимо следить за изменениями давлений и пульсациями в основных маслопроводах систем регулирования и защиты: линии подачи масла на смазку, в импульсных линиях, линиях защиты и полостях сервомоторов. Изменение этих давлений свидетельствует о ненормальностях системах регулирования, маслоснабжения: о неплотности клапанов, уплотнений поршней и штоков сервомоторов, засорении регулировочных шайб. Пульсации золотников вызываются ненормальной работой импеллера, загрязнением маслопроводов, попаданием твердых частиц между золотниками и буксами, повышенным содержанием воздуха в масле и другими причинами.

Первейшее внимание обслуживающего персонала должно быть уделено исключению возможности разгона турбины при отключениях электрического генератора от сети, что обеспечивается достаточной плотностью стопорных и регулирующих клапанов и обратных клапанов на трубопроводах. Проверка производится при остановке турбины не реже одного раза в год, а также в обязательном порядке при пуске после монтажа. Для нормальной работы турбины должен правильно функционировать масляный бак, обеспечивая длительную сохранность масла, отделение от него воздуха, шлама и твердых частиц. Уровень масла в баке должен проверяться 1 раз в смену. Одновременно необходимо следить за исправностью сигнализации о минимально допустимом уровне и разностью уровней в грязном и чистом отсеках масляного бака. Должны подвергаться регулярной проверке резервные и аварийные масляные насосы и устройства их автоматического включения с частотой 2 раза в месяц. Качество работы маслоохладителей проверяется по разности давлений на входе и выходе масла и охлаждающей воды и по нагреву охлаждающей воды и охлаждению масла. Химическая лаборатория электростанции должна регулярно проводить анализ эксплуатируемого масла, чтобы вовремя проводить его регенерацию и замену.

При наблюдении за работающей турбиной необходимо обращать внимание прежде всего на относительное удлинение ротора и его осевой сдвиг. При монтаже и ремонтах турбины ротор в корпусе устанавливают так, чтобы в рабочих условиях , когда эти детали прогреются , между ними были достаточно малые, но исключающие задевания зазоры, иначе может возникнуть тяжелая авария.

Разгружение турбины ведут путем постепенного закрытия регулирующих клапанов (с помощью механизма управления). Особенно внимательно нужно следить за относительным сокращением ротора, и если, не смотря на все принимаемые меры, сокращение приближается к опасному пределу, необходимо прекратить разгружение, а возможно, даже увеличить нагрузку. Снижение нагрузки обычно ведут до 15-20 % номинальной, после чего прекращают подачу газа в турбину. С этого момента она вращается генератором с частотой электрической сети. В короткое время, указанное в инструкции (обычно несколько минут), необходимо убедиться, что стопорные, регулирующие клапаны на линиях отборов закрылись, а ваттметр показывает отрицательную мощность (потребление мощности из сети).После этого можно отключить генератор из сети. После остановки ротора турбины необходимо во избежание его теплового прогиба немедленно включить валоповоротное устройство. Не допускается отключение подачи масла. В течение первых 8 часов ротор вращается непрерывно, а в дальнейшем его периодически поворачивают на 180°. Аварийная остановка турбоагрегата производится путем немедленного прекращения подачи рабочего тела.

За остановленной турбиной необходим тщательный уход. Наибольшую опасность при простое для турбины и некоторых других элементов турбоустановки представляет стояночная коррозия, основной причиной которой является одновременное присутствие влаги и воздуха. Чтобы этого не происходило, необходимо открыть вентили, обеспечивающие сообщение деталей с атмосферой. При остановке турбины в длительный резерв принимаются дополнительные меры. Она отключается от всех трубопроводов заглушками. Вал турбины дополнительно уплотняется шнуром, через подшипники не реже раза в неделю прокачивается масло для создания защитного слоя масла на шейках подшипников, а ротор поворачивается валоповоротным устройством на несколько оборотов. Наиболее эффективным способом борьбы со стояночной коррозией является консервация турбины.

Сборка ГТУ производится на турбинном заводе после изготовления в его цехах отдельных деталей и узлов. В отличие от паровой турбины, после сборки на заводе ГТУ испытаний не проходит. В результате с турбинного завода на монтажную площадку ТЭС уходит несколько отдельно транспортируемых единиц: турбогруппа (компрессор и турбина), две камеры сгорания, маслобак с установленным на нем оборудованием, входной патрубок компрессора, выходной диффузор. Все части закрыты заглушками. В отличие от паровой турбины, ГТУ размещают на ТЭС не на рамном фундаменте, а непосредственно на бетонном основании, установленном на нулевой отметке машзала. Входную шахту компрессора посредством воздушного короба соединяют с КВОУ, где происходит тщательная фильтрация воздуха, исключающая износ проточной части компрессора, забивание охлаждающих каналов в рабочих лопатках и другие неприятности. КВОУ размещают на крыше здания, экономя площадь здания. К выходному концу вала компрессора присоединяется ротор электрогенератора, а к выходному диффузору ГТУ – переходный диффузор, напрвляющий газы в котел-утилизатор.

ГТУ является универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Наибольшее распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ различного назначения. ГТУ пикового назначения работают в периоды максимума потребления электрической энергии. Резервные ГТУ обеспечивают собственные нужды ТЭС в период, когда основное оборудование не эксплуатируется. К отраслям промышленности, где применение газовых турбин создает большие преимущества, относится доменное производство, где ГТУ являясь приводом воздуходувки, подающей воздух в доменную печь, использует в качестве рабочего тела доменный газ, являющийся побочным продуктом доменной печи. На железнодорожном транспорте газотурбинные локомотивы (газотурбовозы) получили некоторое применение на линиях большой протяженности. Ряд ГТУ эксплуатируется в торговом и военно-морском флоте в основном на легких и сторожевых быстроходных судах, где особое значение имеет компактность и малая масса двигателя.. Находится в стадии исследования экспериментальных образцов газотурбинный автомобиль. Лучшие экспериментальные двигатели по экономичности достигли уровня современных бензиновых автомобильных двигателей при меньшей массе.