К вопросу использования регулируемого соплового аппарата в силовой турбине газоперекачивающего агрегата

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу использования регулируемого соплового аппарата (РСА) в силовой турбине газоперекачивающего агрегата

Емельянов Н.Э.¹, Карышев А.К.²

¹ студент КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

² профессор, к.т.н. КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Газотурбинные установки газоперекачивающих агрегатов практически не работают на расчетном режиме. Параметры рабочего процесса ГТУ (давления, температуры, расходы и т.д.) и как следствие их основные характеристики (мощность и КПД) изменяются в широких пределах при изменении внешних условий (температуры и влажности наружного воздуха, барометрического давления), и начальной температуры газа (перед турбиной).

Приводные установки для газоперекачивающих станций обладают следующими особенностями [2]:

1. Затраты энергии на нагнетание газа от одной станции до другой в основном зависят от давления перекачиваемого газа. То есть, чем выше давление, тем меньше удельные затраты на перекачку. Одна из задач регулирования таких установок состоит в поддержании на предельном уровне давления за компрессорной станцией.

2. Нагнетатели газоперекачивающих станций работают на участок газопровода относительно большой протяженности (около 150 км), который обладает большой аккумулирующей способностью. Вследствие этого изменение расхода газа за счет потребителей вызывает плавные во времени изменения давления газа за станцией. Для компенсации таких возмущений нужно эффективно управлять частотой вращения нагнетателей, а, следовательно, и мощностью агрегатов.

3. Компрессорные станции обычно оснащают несколькими агрегатами, работающими параллельно или последовательно. Как известно, максимальная располагаемая мощность ГТУ непрерывно снижается в течение периода между капитальными ремонтами (из-за увеличения радиальных зазоров лопаточного аппарата, эрозии лопаток компрессора и загрязнений). Поэтому, при эксплуатации требуется изменять нагрузку работающих машин вплоть до включения или выключения отдельных агрегатов.

В реальных ГТУ изменения расхода и давления рабочего тела при изменениях параметров окружающего воздуха и нагрузки определяются характеристиками компрессоров и турбин.

Для большинства установок, рабочие точки на характеристике компрессора располагаются на одной кривое, иными словами, каждой нагрузке соответствует лишь одно значение расхода, степени сжатия, температуры и других параметров.

Большинство двигателей, установленных на компрессорных станциях чаще всего регулируют по законам: t_г=const, или t_т=const в жаркое время года и n_н=const - в холодное время года [1]. Применение первого закона основывается на том, что летом располагаемой мощности ГТУ обычно не хватает для обеспечения заданной производительности газопровода из-за повышенной температуры воздуха и транспортируемого газа и вследствие снижения КПД компрессора и турбины при увеличении радиальных зазоров. Второй закон регулирования, обеспечивающий несение заданной нагрузки используют, когда имеется необходимый запас по мощности ГТУ. При очень низких температурах воздуха газотурбинные установки с хорошим состоянием проточной части несут нагрузку с заметным запасом по температуре газа, значительную часть которого, без ущерба для ресурса, можно использовать для повышения экономичности [3].

Добавление второго регулирующего фактора (совместно с регулированием подачи топлива в камеру сгорания), позволяет контролировать сразу два параметра, иными словами, осуществлять законы регулирования n_н=const и t_т=const одновременно.

Наиболее эффективным вторым регулирующим фактором, в соответствии с теорией газовых турбин является регулируемый сопловой аппарат силовой турбины [4]. В случае его применения появляется возможность работать при параметрах, охватывающих все поле характеристики компрессора. Соответственно, заданную нагрузку можно нести при наиболее выгодной температуре газа и при соответствующих значениях основных параметров. Изменение площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины позволяет избежать помпажа компрессора при малых нагрузках и облегчить запуск установки. Регулирование проходного сечения соплового аппарата может быть осуществлено, например, путем применения поворотных лопаток.

Целесообразно рассматривать влияние поворота лопаток в диапазоне изменения углов установки г_уст.=±10^o, что соответствует изменению площади проходного сечения ±20%. Изменение углов установки лопаток характеризует изменение угла б₁, что достаточно близко к изменению лопаточного угла б_1л. На Рисунке 1 представлено изменение треугольника скоростей ступени силовой турбины при повороте лопаток СА.

Рисунок 1 - Изменение треугольника скоростей турбины с РСА

При уменьшении угла выхода потока из СА (б₁< б_1расч.) проходное сечение уменьшается, уменьшается и расход газа. При б₁> б_1расч. расход газа увеличивается. Описанный эффект наглядно можно проследить на Рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость площади проходного сечения турбины от угла поворота лопаток

Когда б₁ уменьшается, окружная работа турбины L_u - возрастает. На величину L_u при фиксированной окружной скорости определяющее влияние оказывает скорость C_1u, которая растет при уменьшении угла б₁. К обратному эффекту приводит увеличение б₁. Изменение работы турбины L_т в основном следует за изменением L_u.

При проектировании силовой турбины для привода нагнетателя природного газа интересно изменение мощности с изменением угла установки сопел. Известно, что

. (1)

Тогда отношение мощности при повернутых лопатках РСА к мощности на расчетных углах приближенно можно представить в виде

. (2)

Очевидно, что изменение мощности соответствует изменению расхода, который зависит от sin(б₁). Некоторое отставание значений мощности от значений расхода газа при б₁>б_1расч. объясняется некоторым уменьшением работы. Рисунок 3 наглядно демонстрирует зависимость полезной мощности установки от изменения угла выхода потока из соплового аппарата силовой турбины.

Рисунок 3 - Изменение мощности установки при повороте лопаток СА

В [1] приводятся результаты расчета частичных режимов установки с неподвижными и поворотными сопловыми лопатками при наличии регенерации и без нее. Для варианта с поворотными сопловыми лопатками принят закон регулирования t_г=const.

Рисунок 4 - Сравнение КПД установки при частичных нагрузках в случае неподвижных (кривые 1, 2) и поворотных (кривые 3, 4) сопловых лопаток (Х - граница устойчивой работы компрессора).

Из Рисунка 4 видно, что в случае отсутствия регенерации применение поворотных сопловых лопаток не может дать при частичных нагрузках выигрыша в КПД. При наличии регенерации, напротив, применение РСА позволяет значительно повысить экономичность установки, притом тем больше, чем выше степень регенерации.

Выигрыш в экономичности для регенеративной ГТУ от применения регулируемого соплового аппарата силовой турбины при работе по программе t_т=const особенно велик в зимнее время при работе с нагрузкой, близкой к номинальной.

В настоящее время в России не выпускается ни одного ГПА с поворотными лопатками соплового аппарата силовой турбины. Причинами этому являются сложность и недостаточная надежность самого РСА и всех элементов конструкции, необходимость непрерывного регулирования поворотными направляющими аппаратами компрессора. Создание надежного органа управления силовой турбиной требует конструкции, способной работать в условиях повышенных температур и сухого трения.

Несмотря на указанные трудности, в настоящее время ведутся научные исследования и конструктивные проработки по вопросам использования РСА в силовой турбине газоперекачивающих агрегатов.

турбина сопловый регенерация судовой

Список использованных источников

[1] Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Ленинград, Судостроение, 1966. 294 с.

[2] Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. Москва, Энергоатомиздат, 1985. 304с.

[3] Ревзин Б.С. Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002. 269 с.

[4] Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва, Машиностроение, 1970. 610 с.

Размещено на Allbest.ru