Энергетические газотурбинные установки. Циклы газотурбинных установок

То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным ходом идет строительство ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в работу установка ГТУ-столько то МВт. О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.

Но довести до сведения хочется не о выполнении госпрограмм или прогнозных показателей, а именно о ПГУ и ГТУ. В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик.

Начнем с того, что проще.

ГТУ — газотурбинная установка — это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Это эффективно, и многие реконструкции ТЭЦ направлены на установку именно таких турбин.

Вот упрощенный цикл работы тепловой станции:

Газ (топливо) поступает в котел, где сгорает и передает тепло воде, которая выходит из котла в виде пара и крутит паровую турбину. А паровая турбина крутит генератор. Из генератора мы получаем электроэнергию, а пар для промышленных нужд (отопление, подогрев) забираем из турбины при необходимости.

А в газотурбиной установке газ сгорает и крутит газовую турбину, которая вырабатывают электроэнергию, а выходящие газы превращают воду в пар в котле-утилизаторе, т.е. газ работает с двойной пользой: сначала сгорает и крутит турбину, затем нагревает воду в котле.

А если саму газотурбинную установку показать еще более развернуто, то будет выглядеть так:

На этом видео наглядно показано какие процессы происходят в газотурбинной установке.

Но еще больше пользы будет в том случае, если и полученный пар заставить работать — пустить его в паровую турбину, чтобы работал еще один генератор! Вот тогда наша ГТУ станет ПАРО-ГАЗОВОЙ УСАНОВКОЙ (ПГУ).

В итоге ПГУ — это более широкое понятие. Эта установка – самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %! Это очень хороший результат, который позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии!

В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.

Вот какие полезные эти газовые турбины!

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Описание технологической схемы установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения, состав топлива и средние удельные теплоемкости газов. Расчет теплового баланса печи и ее КПД. Оборудование котла-утилизатора.

курсовая работа , добавлен 07.10.2010


Определение горючей массы и теплоты сгорания углеводородных топлив. Расчет теоретического и фактического количества воздуха, необходимого для горения. Состав, количество, масса продуктов сгорания. Определение энтальпии продуктов сгорания для нефти и газа.

практическая работа , добавлен 16.12.2013


Назначение, устройство, составные части и принцип действие комплекса "Метан" как самостоятельной газовой защиты шахты. Проверка работоспособности оборудования. Измерение метана в атмосфере и срабатывание аппаратуры при превышении концентрации метана.

лабораторная работа , добавлен 15.10.2009


Каталитическое сжигание метана. Поиск методов снижения концентрации оксидов азота. Условия приготовления и исследование физико-химических характеристик палладиевого и оксидного катализаторов, нанесенных на ячеисто-каркасный металлический носитель.

дипломная работа , добавлен 19.12.2011


Устройство котла-утилизатора П-83. Порядок определения энтальпий газов и коэффициента использования тепла. Особенности расчета пароперегревателей, испарителей и экономайзеров высокого и низкого давления, а также дополнительного и кипящего экономайзеров.

контрольная работа , добавлен 25.06.2010


Анализ энергетического хозяйства цеха теплогазоснабжения ОАО "Урал Сталь". Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины. Автоматизация и механизация производственных процессов. Безопасность труда и экологичность.

дипломная работа , добавлен 17.02.2009


Технология производства серной кислоты и продуктов на ее основе. Разработка конструкции узлов котла-утилизатора. Механизация обслуживания и ремонтных работ участка котла-утилизатора. Разработка технологического процесса изготовления "барабана канатного".

дипломная работа , добавлен 09.11.2016

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.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20-100 МВт КПД ГТУ достигает 20-30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

Газотурбинный двигатель (ГТД) - один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.

Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)

Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:

ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.

В камеру сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, назы­вают установками открытого цикла . Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:

1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;

2-3 – горение в камере;

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;

4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкну­тых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В ка­честве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воз­дух, а затем охлаждается в ох­ладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - охладитель; 5 - регенератор; 6 - аккумулятор воздуха; 7 - вспомогательный компрессор.

В соответствии с назначением СЭУ весь комплекс ее механиз­мов и систем условно делят на четыре группы:

Главную установку, предназначенную для обеспечения дви­жения судна:

Вспомогательную, обеспечивающую потребности судна в различных видах энергии на стоянке, при подготовке главной установки к действию и бытовые потребности судна;

Электроэнергетическую, обеспечивающую судно различными видами электроэнергии;

Механизмы и системы общесудового назначения.

Газотурбинная установка может быть главной или се состав­ной частью, может быть приводом электрических генераторов, различных механизмов общесудового назначения. В последних двух случаях ГТУ называют вспомога­тельной.

Судовая энергетическая установка состоит из одного или нескольких комплексов двигатель - движитель, каждый из которых включает движитель, валопровод и одну главную установку.

Главная установка в свою очередь состоит из одного или нескольких однотипных (в КУ, возможно, и разнотипных) двигателей и общей для них передачи, подводящей энергию к движителю через линию вала. Если двигатели главной установки газотурбинные, и она обеспечивает ход и маневрирование судна, ее называют газотурбинной всережимной. В комбинированной установке газотурбинная, как правило, является ускорительной (форсажной), обеспечивающей судну приращение скорости переднего хода.

Газотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель - тепловая машина, предназначенная, для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. Теоретический простой цикл ГТД на диаграмме Т-S: 1-2- изоэнтропийный (адиабатический) процесс повышения давления воздуха в компрессоре; 2-3-изобарный подвод теплоты в КС; 3-4 - изоэнтропийный (адиабатический) процесс расширения газа в турбине; 4-1-изобарный отвод теплоты в атмосферу.

Большая часть работы расширения газа в турбине расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, остальная часть производимой турбиной ГТД работы обычно после преобразова­ния передается к потребителю мощности и называется полезной работой.

В так называемых сложных циклах ГТД, где можно получить более высокий КПД, или большую полезную работу, предусматри­вается либо промежуточное охлаждение воздуха (например, между компрессорами или их ступенями), либо вторичный подо­грев газов (в дополнительных КС между турбинами), либо реге­нерация, т.е. использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха, либо любое возможное сочетание названных средств. Двигатели, выполненные по сложному циклу, имеют большие массы и габариты по сравнению с ГТД простого цикла, менее маневренны, менее надежны, весьма сложны.

Существенный недостаток ГТД простого цикла - относительно низкая экономичность - может быть устранен согласованным уве­личением степени повышения давления воздуха Лк в компрессоре ГТД и температуры газа Тоз на входе в первую турбину ГТД (на выходе газа из КС), что наглядно подтверждается зависимостью КПД ГТУ от Лк при различных отношениях Тоз/То: здесь Тоз - абсолютная температура газа на выходе из КС в полных па­раметрах; То - абсолютная температура воздуха на входе в ГТУ.

Максимальное значение КПД при реально достижимой в настоя­щее время температуре Тоз=1000°С имеет место при Лк=16-21. Данную Лк можно осуществить в многоступенчатом осевом ком­прессоре; при этом в составе ГТД могут быть два последовательно установленных компрессора, каждый из которых приводится от отдельной турбины, или один компрессор, устойчивость режимов работы которого повышается вследствие применения поворотных лопаток спрямляющих аппаратов на ряде первых ступеней. При этом возможно применение дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивость работы компрессоров, особенно на переходных режимах: лент перепуска воздуха, антипомпажных клапанов и т.д.

Собственно газовыми тур­бинами являются ТВД, ТНД. ТВ; совокупность КНД, ТНД, и со­единяющего их вала образует турбокомпрессорный блок низкого давления (ТКНД); совокупность КВД, ТВД и соединяющих их конструкций-турбокомпрессорный блок высокого давления (ТКВД): часть ГТД, включающую ТКНД, ТКВД и КС, часто на­зывают генератором газа (ГГ).

Таким образом, ГТД можно рассматривать как совокупность генератора газа и пропульсивной турбины.

Передача. Оптимальные условия работы гребного винта и пропульсивной турбины ГТД обеспечиваются обычно при различных частотах вращения. Для достижения приемлемых экономичности, масс и га­баритов частота вращения ротора пропульсивной турбины должна быть значительно выше, чем гребного винта. Снижение частоты вращения осуществляется в передаче при обязательном требова­нии минимальных потерь мощности.

Передача может выполнять и другие функции, в частности «собирать» мощности нескольких двигателей на один движитель, «раздавать» мощность теплового двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от дви­жителей, осуществлять реверс и т. д.

Различают передачи механические, гидравлические, электри­ческие. Последняя может работать на переменном и постоянном токе. В первом случае потери энергии в передаче составляют 6- 14%, во втором-11-19%. Для электропередач характерны большие массы и габариты: так, приходящаяся на 1 кВт масса электропередачи составляет 7-22 кг. Несомненны преимущества электропередач:

Возможность использования нереверсивного главного дви­гателя;

Удобство управления установкой;

Уменьшение длины гребных валов;

Отсутствие жесткой связи между главным двигателем и вин­том и т. д.

Чисто гидравлическая передача имеет относительно малый КПД: 95-96 и 85-88 % - соответственно гидромуфты и гидро­трансформатора переднего хода, 70-75 % -гидротрансформатора заднего хода. По этой причине их предпочитают применять в со­четании с механической передачей. Механическая (обычно зубча­тая) передача имеет высокий КПД (до 98-99 %) и находит пре­имущественное применение на судах.

Общая компоновка ГТУ. На судах применяют ГТУ двух основных типов: с ГТД про­мышленного (тяжелого) типа; с ГТД авиационного (легкого) типа. Компоновочные схемы этих ГТУ могут существенно отли­чаться. Для ГТУ второго типа характерно выполнение ГТД в рамном или безрамном варианте, с трубчатым основанием, в звукоизолирующем кожухе.

Максимально возможная часть си­стем, обеспечивающих работу ГТД, смонтирована на нем или в его раме; основные вспомогательные механизмы (например, ос­новные топливный и масляный насосы) навешены на ГТД и при­водятся от блока его вращения, в наименьшей степени изменяю­щего частоту вращения при переходе ГТД с режима на режим.

На редукторе ГТУ также смонтированы обеспечивающие его работу системы и механизмы (например, навесные маслонасосы). Связь ГТД с редуктором осуществляется посредством рессор.

Системы ГТУ включают комплексы разнообразных техниче­ских средств, при помощи которых могут быть осуществлены все эксплуатационные режимы работы установки, а также ее техни­ческое обслуживание. Условно их можно разделить на две группы. Первая группа-это комплексы технических средств, которые по­зволяют управлять установкой, т.е. задавать и поддерживать не­обходимые режимы се работы и изменять эти режимы при необхо­димости.

К ним относятся системы:

Управления, воздействующая на подачу топлива в КС, на системы пуска и реверса и другие системы, обеспечивающие под­держание и изменение режима работы;

Пуска, с помощью которой ГТУ вводится в действие;

Реверса, обеспечивающая изменение направления упора, со­здаваемого гребным винтом или другим движителем.

Ко второй группе относятся следующие системы, обеспечиваю­щие оптимальные условия для работы ГТУ:

Топливная, состоящая из технических средств, размещенных на ГТД, а также вне двигателя;

Масляная с техническими средствами на ГТД, передаче (ре­дукторе) и вне их;

Охлаждения забортной водой, размещенная обычно вне ГТУ и предназначенная для охлаждения масла ГТУ в маслоохлади­телях;

Сжатого воздуха, технические средства которой размещены как на ГТУ, так и вне установки;

Промывки проточной части;

Антиобледенительная (система обогрева входного устрой­ства ГТД) и ряд других.

Кроме того, работа ГТД на судне обеспечивается воздухоприемным и газовыпускным устройствами, системой теплоизоляции ГТД.

Судовые ГТУ промышленного типа. Примером названных установок может служить ГТУ-20 судна «Парижская коммуна». Она состоит из двух одинаковых устано­вок ГТУ-10, работающих через общий редуктор на один ВРШ. Особенностью ГТУ-20 является блокированная ТНД, что потребовало установки ВРШ.

Установки промышленного типа МS-1000, МS-3000, МS-5000, МS-7000 и их модификации фирмы «Дженерал электрик» конвер­тированы в судовые из стационарных ГТУ. Все они работают по открытому циклу с регенерацией теплоты уходящих газов для по­догрева воздуха.

Особенностью ГТУ М5-3012К является привод генератора пе­ременного тока от ТНД и постоянная частота их вращения. Глав­ный электродвигатель (ГЭД) переменного тока с постоянной ча­стотой вращения приводит в действие ВРШ. Установка М5-3012К со всеми обслуживающими механизмами и системами располо­жена на верхней палубе судна, а ГЭД - в машинном отделении.

Судовые ГТУ легкого типа. На судах такие ГТУ нашли применение в следующем исполнении:

С одним компрессором и одной турбиной;

С одним турбокомпрессором и свободной ТВ;

С двумя турбокомпрессорами и свободной ТВ.

Были проведены большие работы по конвертированию авиаци­онных ГТД для использования их на судах: в СССР - ГТУ М-25.

В США были созданы ГТД типов: LМ-100, LМ-300, LМ-1500, LМ-2500, LМ-5000, FТ-4А, FТ-4А12, FТ-4С-2 и др.; в Англия - типов «Олимп», «Тайн», «Гном» и др.

Судовые газотурбинные установки с теплоутилизирующим кон­туром (ТУК)

ГТУ М-25 мощностью 25 000 кВт эксплуатируются на судах типа «Капитан Смирнов».

Головной газотурбоход «Капитан Смирнов» - ролкер водоизмещением 35 000 т. Он предназначен для перевозки пакетированных грузов и контейнеров, имеет две ГТУ суммарной мощностью 36800 кВт. Скорость судна 27 уз. На газотурбоходе высок уровень автоматизации. В машинном отделении нет постоянной вахты.

Контролирует работу оборудования с центрального поста управления энергетической установкой один механик. Главным двигателем управляет с мостика вахтенный штурман. Оттуда же осуществляется управление мощными подруливающими устройствами, расположенными в носу и корме. Благодаря им при швартовных операциях можно обходиться без помощи портовых буксиров.

Установка ГТУ М-25 состоит из газотурбинного двигателя, редуктора и теплоутилизирующего контура, который в свою очередь включает в себя паровой котел с сепаратором пара и арматурой дистанционного управления, паровую турбину с конденсатором и вспомогательное оборудование.

Тепловая схема ГТУ дана на рис. 5.2 Атмосферный воздух засасывается КНД 6 и последовательно сжимается в КНД и КВД 5. Затем в камере сгорания 4 при постоянном давлении происходит сжигание топлива, и образовавшийся при этом газ расширяется последовательно в ТВД 3, ТНД 2 и турбине винта (ТВ) 1. Отсюда газ поступает утилизационный котел 7, где отдает теплоту питательной воде. Пар из котла направляется в силовую паровую турбину 21, совместно с ТВ вращающую через упругие муфты и редуктор 24 гребной винт. Вся мощность ТВД и ТНД полностью потребляется соответственно КВД и КНД.

Утилизационный котел (расположен над газоотводом ГТД) - водотрубный с многократной принудительной циркуляцией, в сечении имеет прямоугольную форму. Котел состоит из экономайзера, испарителя и пароперегревателя, между которыми предусмотрены пазухи для размещения опорных балок крепления трубных пакетов, осмотра и ремонта поверхности горения. Котел включает в себя также сепаратор пара, служащий для отделения пара от пароводяной смеси, поступающей из испарителя котла.

Паровая турбина состоит из регулировочной ступени в виде двухвенечного колеса и семи ступеней давления. Ее сварнолитой корпус изготавливается с корпусами (стульями) подшипников. На верхней крышке крепится паровпускной быстрозапорный клапан, а на выпускном патрубке - дроссельно-увлажнительная установка.

Ротор паровой турбины составной - с насадными дисками. Упор­ный гребень выполнен заодно с валом. Турбина имеет два опорных и один упорный подшипники. Опорные подшипники имеют стальные вкладыши, залитые баббитом. Упорный подшипник двусторонний с самоустанавливающими упорными сегментами Конденсатор двухпроточный, он одновременно является рамой, на которой располагаются турбина и вспомогательное оборудование. Редуктор позволяет подключить и отключить паровую турбину при работающем и остановленном ГТД, обеспечивает проворачивание валопровода при неработающих ГТД и паровой турбине и стопорение валопровода.

В правой части рис. 5.2 представлен теплоутилизирующий контур одного борта установки. Питательная вода из теплого ящика 15 электропитательным насосом 14 подается через двухимпульсный регулятор 12 питания в сепаратор 11 питания. Из него насос 13 многократной циркуляции подает воду в экономайзер 8. Из него вода по опускным трубам идет в испаритель 9. Затем пароводяная смесь поступает в сепаратор. Из него влажный пар направляется в пароперегреватель 10 и далее (уже перегретый пар) через главный стопорный клапан 19 - к быстрозапорному клапану 20 паровой турбины. Схемой ТУК предусматривается отбор 6000 кг/ч перегретого пара из главного паропровода на турбогенератор мощностью 1000 кВт и 2000 кг/ч насыщенного пара из сепаратора на общесудовые нужды.

Рис. 5.2 Тепловая схема ГТУ с ТУК газотурбохода «Капитан Смирнов» (одного борта)

Главный стопорный клапан открывается автоматически при давле­нии пара 0,4 МПа. При достижении давления в конденсаторе 5-6 КПа открывается быстрозапорный клапан в положение холостого хода, и паровая турбина начинает набирать частоту вращения.

Как только паровая турбина сравняется по частоте вращения с турбиной винта, происходят синхронизация и подключение паровой турбины к редуктору. Избыток пара при этом стравливается через редукционное охладительное устройство 22 и дроссельно-увлажнительное устройство 23 в выпускной патрубок турбины на конденсатор 18. Оттуда электроконденсатный насос 17 возвращает конденсат в теплый ящик через регулятор уровня конденсата 16. После прогрева паровой турбины на режиме холостого хода в течение 12-15 мин БЗК открывается полностью, и паровая турбина начинает работать в режиме полной мощности.

Газотурбинная установка может устойчиво эксплуатироваться как при работе с ТУК, так и без него. Включение ТУК происходит при подаче питательной воды в котел и может производиться при любом режиме работы ГТД (горячий пуск) и при неработающем ГТД (холодный пуск). Пуск ТУК и управление им осуществляются с центрального поста управления. Отбор пара на турбогенератор производится вручную.

В установке предусмотрена возможность работы перекрестным путем. В этом случае работает газовая турбина с ТУК одного борта, пар подается на паровую турбину другого борта. При этом газовая турбина этого борта не работает (снимают рессору от ТВ к редуктору), при такой работе подача топлива уменьшается почти в 2 раза (при скорости судна примерно 20 уз).

Ресурс всего агрегата составляет 100000 ч (примерно 25 лет). В то же время ресурс ГТД до заводского ремонта составляет 25000 ч. Пос­ле заводского ремонта ресурс ГТД восстанавливается. Технический ресурс ГТД (до замены) равен 50000 ч (приблизительно 12,5 года).

При наличии запасного ГТД на судне (или обменного фонда ГТД) его замена может быть проведена силами судового экипажа в течение двух суток, т.е. во время погрузочно-разгрузочных работ в порту. Любой из навешенных на ГТД агрегатов может быть заменен в течение 1-2 ч.

Газотурбинный двигатель (рис. 5.3) изготавливается в морском (корабельном) исполнении.

Он состоит из осевых расположенных последовательно компрессоров - семиступенчатого КНД 1 и девятиступенчатого КВД 2 трубчато-кольцевой камеры сгорания 3, в корпусе: которой находятся десять жаровых труб 4 с форсунками и из расположенных последовательно двухступенчатых ТВД 5 и ТНД 6 и четырехступенчатой ТВ 7.

Рис. 5.3 ГТУ М-25 со схематическим разрезом ГТД

Корпуса компрессоров, камеры сгорания и трубки соединяются между собой последовательно вертикальными фланцами и образуют единый корпус.

Вопросы для самопроверки

Устройство газотурбинного двигателя.

Устройство газотурбинной установки

Принцип работы ГТУ и ГТД.