книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

или примерно 40% от мощности всех газоперекачивающих агрегатов. В 1972 г. удельный вес газовых турбин еще больше возрос и при­ близился к 65—70%.

Газовые турбины с центробежными нагнетателями для компрес­ сорных станций магистральных газопроводов выпускаются Невским машиностроительным заводом (мощностью 5,6 и 10 Мвт); Ленинград­ ским металлическим заводом им. XXII съезда КПСС (10 Мвт); Свердловским турбомоториым заводом (6 и 16 Мвт).

Чтобы обеспечить необходимое повышение давления и требу­ емый расход газа, а также иметь возможность в широких пределах менять режим работы газопровода, на компрессорной станции уста­ навливают несколько газоперекачивающих агрегатов, обычно не меньше трех, которые могут работать совместно: последовательно, параллельно или в комбинированном соединении. На крупных многониточных магистральных газопроводах компрессорная станция состоит из нескольких цехов и общее количество компримирующих агрегатов может достигать нескольких десятков. Более подробные данные об указанных агрегатах и их компоновке в цехах можно найти в работах А. К. Кортунова [И, 12].

Перекачивающая станция поднимает давление в магистральном газопроводе на 10—20 кгс/см2 и обеспечивает заданный расход газа. Перекачивающая станция — это крупное инженерное сооруже­ ние с системами очистки, охлаждения газа и вспомогательным оборудованием для газовых турбин и нагнетателей (маслохозяйство, электропитание, запорная арматура и система обвязки). Ниже будут рассмотрены вопросы автоматизации отдельных агрегатов газоперекачивающих станций, выпускаемых Невским машинострои­ тельным заводом им. В. И. Ленина, с которыми пришлось работать авторам, но приводимые технические решения могут быть исполь­ зованы для машин и других заводов.

Принцип работы двухвальной газовой турбины как привода нагнетателя

ющего аппарата и рабочего колеса с лопатками преобразуется в меха­ ническую энергию [6, 10, 27]. Рабочим'телом в газовых турбинах является смесь воздуха с продуктами сгорания природного газа. Так как продуктов сгорания относительно немного, около 3—5% , то в первом приближении можно считать, что рабочим телом яв­ ляется воздух. Чтобы турбина совершала работу, необходимо пред­ варительно увеличить внутреннюю энергию воздуха по сравнению с той, которой он обладает в нормальных условиях. Для этого воз­ дух сначала сжимают с помощью осевого компрессора, а потом нагре­ вают при постоянном давлении, сжигая газ в камере сгорания. Полученное таким образом рабочее тело, имеющее запас внутренней энергии, поступает через направляющий аппарат на рабочее колесо.

7

В направляющем аппарате внутренняя энергия рабочего тела преоб­ разуется в кинетическую энергию струи, которая на лопаточном аппарате рабочего колеса превращается в механическую энергию.

Цикл газовой турбины можно изобразить графически с помощью диаграммы р, ѵ (рис. 1.1). Кривая 1—2 характеризует адиабати­ ческое сжатие в компрессоре, прямая 2—3 — повышение темпера­ туры при постоянном давлении в теплообменнике и камере сгорания при сжигании топлива, кривая 3—4 — адиабатическое расширение в турбине высокого и низкого давления. Расширение происходит практически до начального давления. Далее рабочее тело выбрасы­ вается в атмосферу через теплообменник, поэтому точки 4 и 1 можно соединить прямой линией, т. е. считать, что произошло охлаждение

На нее подается рабочее тело высокого давления и высокой темпера­ туры, поэтому она получила название т у р б и н ы в ы с о к о г о д а в л е н и я (ТВД). Турбина может быть одноступенчатой и много­ ступенчатой. Она имеет угловую скорость вращения юв и развивает момент Мв, который служит для преодоления полезного момента компрессора Мк.

К а м е р а с г о р а н и я КС, в которой происходит сжигание топлива (природного газа). Камера имеет конструкцию, обеспечива­

происходит дополнительный подогрев вгіздуха после компрессора отработанным рабочим телом, имеющим еще высокую температуру. Теплообменник — пластинчатый, с большой поверхностью тепло­ обмена и малыми гидравлическими потерями. Температура в нем повышается от Ѳ4 до Ѳ4 = 600-^-700° К.

Т у р б и н а н и з к о г о д а в л е н и я (ТНД), помещаю­ щаяся по ходу рабочего тела непосредственно после ТВД. В ТНД происходит преобразование внутренней энергии рабочего тела,

8

оставшейся после ТВД. Турбина низкого давления служит для преодоления полезного момента, т. е. для привода какого-либо механизма, в частности центробежного нагнетателя. ТНД характе­ ризуется угловой скоростью вращения сон и моментом Мн.

Н а г н е т а т е л ь Н, который служит полезной нагрузкой ТНД. Нагнетатель повышает давление транспортируемого газа в газопроводе от рв до р„.

Рис. 1.2. Принципиальная схема двухвальной газовой турбины с нагнетателем.

Так как управление турбиной сводится к управлению термодина­ мическими процессами, то рассмотрим их протекание в каждом агрегате подробнее.

В компрессоре, в первом приближении, происходит адиабати­ ческий процесс сжатия, который можно характеризовать следующим уравнением:

рѵк= const,

где р — давление, н/м2; ѵ — объем, м3; к — показатель адиабаты. Если р 0 и ѵ0 — давление и объем перед компрессором, а р и

Ѵі — после него, то

9

С учетом уравнения Клапейрона—Менделеева получаем соотно­

где Ѳ0 — начальная температура; 0 ( — температура после сжатия.

£

и растет температура Ѳ. Графики построены в предположении ста­ ционарности термодинамических процессов.

ные значения параметров примерно соответствуют турбине ГТК-705). Применяя формулы (1.1) и (1.2), получаем

10

Ѳ1 = ев>08 = 436° К,

Энергия рабочего тела повышается весьма значительно, и на это нужно затратить такое же количество работы. Эту работу сжатия совершает ТВД. Кроме того, ТВД должна совершать и работу, необходимую для компенсации гидравлических, механических и тепловых потерь.

Кроме кривых, представленных на рис. 1.3, компрессор характе­ ризуется зависимостями, связывающими степень сжатия е, расход газа G через компрессор и скорость его вращения п (рис. 1.4). Эти показатели очень важны, так как по ним определяются совместные режимы турбины и компрессора. Особенностью характеристик ком­ прессора является то, что они имеют две ветви (на рисунке штрихо­ вая и сплошная). Работа в зоне штриховых кривых невозможна из-за помпажа, который проявляется в автоколебаниях давления. По­ этому через вершины графиков проводят линию, которая называется линией помпажа. Она разгранйчивает устойчивые и неустойчивые режимы работы компрессора при соответствующих расходах G и степенях сжатия е. Получить теоретически характеристики ком­ прессора весьма сложно, поэтому их определяют экспериментально на моделях отдельных ступеней компрессора. Однако даже и в хорошо (Сконструированном компрессоре на режимах с малыми скоростямп вращения может возникать помпаж, который для газотурбинной установки является аварийным.

В теплообменнике происходит изобарный процесс повышения внутренней энергии рабочего тела, т. е. воздуха, нагнетаемого ком­ прессором. Этот процесс характеризуется следующими соотноше­ ниями:

ѵ2

(1.3)

где R — газовая постоянная; и Ѳ4 — объем и температура воздуха на входе в теплообменник, ѵ2 и Ѳ4 — на его выходе.

Из соотношения (1.3) видно, что объем воздуха изменяется прямо пропорционально температуре (рис. 1.5):

При = const, Ѳ4 = const имеем v2 = у04, у = Уі/Ѳ4.

С повышением температуры растет и объем рабочего тела в тепло­ обменнике. Приращение внутренней энергии рабочего тела при изобарном процессе определяется следующим соотношением:

11

Допустим, воздух в теплообменнике нагревается на 200° К (от Ѳ4 = = 436 до Ѳ4 = 636° К) при накальном объеме Уі = 0,37 м3, давле­ нии р і = 4 кгс/см2. Определяем приращение объема и внутренней энергии, применяя формулы (1.3) и (1.4):

В камере сгорания протекает также изобарный процесс повыше­ ния энергии рабочего тела за счет сжигания топлива.

Ѳ

Рис. 1.5. Характеристика изоРис. 1.6. Характеристики процесса барного процесса. в камере сгорания при разных рас­

ходах топлпва.

Характеризуют этот процесс соотношения, аналогичные формулам

(1.3) и (1.4):

ѵа _ Qi »2 ѳ; ’

где ѵ3и Ѳ4 — объем и температура рабочего тела после камеры сго­ рания.

Допустим, что Ѳі = 1053° К при давлении р і = 4 кгс/см2 и началь­ ном объеме ѵ2 = 0,537 м3^ Таким образом, температура повышается

Кроме изобарного закона процесс в^камере сгорания характери­ зуется еще очень важной зависимостью между температурой воздуха Ѳ на выходе камеры и его расходом GB. Эта зависимость (рис. 1.6) может быть получена аналитически, если известны компоненты топлива и их теплота сгорания. Они важны для выбора рабочей точки камеры сгорания, которая лежит на правой ветви характери­ стики. Смесь воздуха и продуктов сгорания после камеры должна иметь температуру 700—800° С, для чего в камеру подается избыток воздуха по сравнению с необходимым для полного сгорания топлива, и поэтому рабочая точка лежит на правой ветви характеристики

12

турбины и камеры сгорания, которые имеют определенные гидравли­ ческие сопротивления. При изменении режима работы ГТУ меняются характеристики компрессора и гидравлические сопротивления тур­ бины. Эти изменения могут быть такими, что рабочая точка компрес­ сора сместится в область неустойчивой его работы, т. е. в область помпажа. Поэтому гидравлические характеристики компрессора и турбины совмещают и определяют область совместной устойчивой работы (рис. 1.8).

Характеристики е = / (Gr) являются характеристиками турбин при различных скоростях вращения п. Они показывают, что при постоянной скорости вращения уменьшение степени сжатия е вызы­ вает увеличение расхода G. Ха­

рактеристики Е = / (GK) являются характеристиками компрессора при различных гидравлических со­ противлениях. Они показывают, что с увеличением расхода £ к уве­

т

Точки пересечения характеристик турбины и компрессора соответ­ ствуют устойчивым режимам. По ним можно определить все пара­ метры совместной работы турбины и компрессора: температуру, давление, скорости вращения и расходы.

Рассмотрим вспомогательные агрегаты турбины. Следует учесть, что без них газовая турбина не может нормально эксплуатироваться. К вспомогательным агрегатам 'относятся: масляная система, валоповороты, турбодетандер, система подогрева и охлаждения масла.

На масляную систему возлагаются задачи: охлаждение подшип­ ников; обеспечение системы регулирования носителем энергии; уплотнение подшипников нагнетателя. Масляная система содержит основные и резервные маслонасосы. Основной насос работает непо­ средственно от газовой турбины, а резервные — от двигателей переменного тока. Таким образом, маслосистема имеет два незави­ симых источника энергии. Резервирование применяется для повы­

44

шения надежности системы, которая является весьма важной для турбины и нагнетателя.

Рассмотрим назначение турбодетандера. Турбодетандер разго­ няет турбину высокого давления и осевой компрессор до скорости 20—30% от номинальной. При разгоне осевой компрессор засасы­ вает воздух из атмосферы, сжимает его и подает в камеру сгорания,, где его температура, а следовательно, и энергия возрастают за счет сжигания топлива. Турбодетандер «помогает» турбине до тех пор, пока энергия рабочего тела не становится достаточной для обеспече­ ния самоходности. После этого турбодетандер отключают и выводят из зацепления с валом компрессора во избежание разноса при даль­ нейшем возрастании скорости ГТУ. Турбодетандер представляет собой расширительную турбину, работающую на энергии транс­ портируемого газа. Мощность, развиваемая турбодетандером, соста­ вляет (в зависимости от мощности основного агрегата) 200—400 квт, а давление газа на входе 8—15 кгс/см2. Отработанный газ после турбины выбрасывается в атмосферу.

Валоповороты служат для преодоления инерции агрегата, трения покоя перед пуском турбины и для прокачки воздуха, увели­ чивающего интенсивность охлаждения после остановки. Для привода валоповоротов используют асинхронные короткозамкнутые двига­ тели.

Для нормальной работы подшипников турбины и гидравлической системы регулирования масло должно иметь определенную вязкость,, а значит, и температуру. При длительных остановках турбины маслп имеет относительно низкую температуру и, следовательно, большую вязкость. Поэтому перед пуском турбины его подогревают. Во время нормальной работы масло помимо смазки трущихся деталей выпол­ няет и роль охлаждающего агента, т. е. отнимает тепло, образовав­ шееся во время трения. Поэтому его приходится охлаждать, так как выделение тепла от трущихся деталей весьма значительно. Подробное описание конструкции основных и вспомогательных агрегатов не дается, так как его можно найти в специальных рабо­ тах [6, 10, 27].

Ограничения, налагаемые на параметры газотурбинной установки п нагнетателя

Именно ограничения, которые налагаются на параметры газотур­ бинной установки, вызывают необходимость автоматического кон­ троля и управления. Рассмотрим несколько подробнее эти ограниче­ ния. На первое место поставим ограничение температуры газа перед ТВД, которое вызвано тем, что рабочее колесо и его лопаточный аппарат 1-й ступени работают в весьма напряженных режимах. Большая скорость вращения рабочего колеса (5000—5500 об/мин) и высокая температура рабочего тела (700—800° С), несмотря на охлаждение лопаток, приводят к тому, что даже относительно не­ большое повышение температуры газа перед ТВД может вызвать

15

разрушение лопаточного аппарата 1-й ступени. Это тяжелая авария для ГТУ. Значит, нужно управлять подачей топлива при изменении режимов таким образом, чтобы температура газа перед ТВД не превышала допустимой величины. Иначе говоря, подача топлива и производительность компрессора должны быть строго согласованы. Человеку трудно быстро и точно достичь такого согласования, но это может сделать соответствующий автомат.

При пусках приходится ограничивать не только температуру перед ТВД, но и скорость'ее нарастания. Если температура растет слишком быстро, то в рабочем колесе возникают не только механи­ ческие напряжения, обусловленные вращением, но и температурные, обусловленные разностью температур между ободом рабочего колеса и его ступицей. Суммарное действие этих напряжений также может вызвать разрушение рабочего колеса. И здесь требуется автомат, который бы поддерживал определенный градиент температур на рабочем колесе.

Ограничение нужно накладывать и на скорость вращения рабо­ чего колеса ТНД. При резком сбросе нагрузки скорость вращения ТНД быстро возрастает до очень больших величин, если не принять специальных мер. Резкое и значительное увеличение скорости может вызвать разрушение лопаточного аппарата. Чтобы этого не произошло, нужно быстро уменьшить количество подаваемого рабочего тела, что достигается отравлением его.в атмосферу. Это надо делать очень быстро. Столь ответственную операцию также поручают автомату, так как человек физически не может достаточно быстро ореагировать на повышение скорости. Кроме того, человеку свойственно ошибаться; вместо того чтобы уменьшать подачу топлива при аварийных ситуациях, он, сам того не замечая, может ее увели­ чивать. Такие случаи бывают в практике эксплуатации турбин.

Большое внимание уделяется контролю состояния отдельных ответственных узлов ГТУ, в частности подшипников. О состоянии подшипников судят по их температуре, причем здесь также накла­ дываются соответствующие ограничения (70—80° С). Точек контроля температуры много (20—80), причем повышение температуры в любой точке сверх допустимого рассматривается как авария, влекущая за собой остановку машины.

Кроме температуры подшипников контролируются давление масла на смазке, уплотнении, в системе регулирования и целый ряд других параметров. Естественно, что человеку трудно уследить одновременно за состоянием 50—60 параметров. Работу эту также поручают автоматам, которые непрерывно или периодически контро­ лируют параметры и сигнализируют о ненормальных отклонениях. Наконец, для отчетности нужно иметь непрерывную запись отдель­ ных показателей работы ГТУ, например температуры газа перед ТВД. Человек избавляется от этой однообразной и утомительной работы благодаря применению автоматических самописцев.

ГТУ предназначена для перекачки природного газа. В зависимо­ сти от характера потребителей давление перед нагнетателем и за

16