Файл: Автоматическое управление газотурбинными установками..pdf

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