Одновальная приводная ГТУ

Такие ГТУ изготавливались в 50-х годах за рубежом и в России и кое-где эксплуатируются по сегодняшний день. Особенность одновальной ГТУ, имеющей в качестве нагрузки нагнетатель (газовый компрессор), со­стоит в соединении на едином валу двух компрессоров, работающих на различные гидравлические сети. Баланс мощностей на всех рабочих режи­мах возникает при почти неизменной температуре перед турбиной. К от­клонению температуры в ту или иную сторону приводит лишь изменение КПД турбомашин, механических и других потерь. Достоинство схемы - в конструктивной простоте, а при регенеративном цикле - в сохранении по­стоянного КПД ГТУ при уменьшении нагрузки до 70% и ниже. Недостат­ки такой ГТУ являются продолжением ее достоинств. В переходном про­цессе набора нагрузки неизбежен заброс начальной температуры перед турбиной. Наряду с перегревом турбины возникает опасность попадания циклового компрессора в область срывных режимов. Температура наруж­ного воздуха влияет на частоту вращения осевого компрессора, а через единый вал - на частоту вращения ротора нагнетателя, связанную с его производительностью. При снижении нагрузки π_к осевого компрессора падает слабо и при n _отн ≈ 0,8 рабочая линия приближается к помпажу (рис. 1.4, кривая 1). Область работы нагнетателя сужается (рис. 1.5). Этим же объясняется невозможность запуска такой ГТУ при заполнен­ном корпусе нагнетателя газом полного давления (линия рабочих ре­жимов на рис. 1.4. проходила бы в области помпажа). Оснащение осевого компрессора и нагнетателя поворотными направляющими аппаратами ос­лабит эти недостатки, но не снимет их полностью.

На газопроводах нашей страны и за рубежом было установлено небольшое число одновальных однокомпрессорных ГТУ с регене­раторами и без них, а также конвертированных авиационных двигателей. Преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников. Однако эти достоинства отступают на задний план перед недостатками - жесткая связь по частоте вращения центробежного нагнетателя и воздушного осевого компрессора, невозможность пуска агрегата под давлением в корпусе нагнетателя, необходимость для нормальной эксплуатации использования поворотных направляющих лопаток в компрессоре и нагнетателе. Одновальные ГТУ называют также простым блокированным агрегатом. Блокирование (жесткое соединение) на одном валу компрессора и потребителя мощности целесообразно для энергетических установок, в том числе газотурбинных электростанций газопроводов, где возможно несение любой рабочей нагрузки при неизменной частоте вращения.

Двухвальные однокомпрессорные ГТУ состоят из газогенераторной части и свободной силовой турбины, что дает значительно большую гибкость для эксплуатации, благодаря независимой работе газового нагнетателя и воздушного компрессора. Изменение давления перекачиваемого газа сказывается только на работе нагнетателя и немного на работе силовой турбины, но не влияет на газогенератор. Колебания же температуры атмосферного воздуха влияют на работу только турбокомпрессорного вала и мало отражаются на работе силового вала. В двухвальных и трехвальных газопере­качивающих агрегатах выделение турбины полезной мощности вместе с нагнетателем на отдельный вал кардинально улучшает их внешние характеристики, хотя при этом возрастает число турбомашин и конструктивная сложность агрегата. Для ГТУ с регенерацией теплоты, когда обычно π_к £ 8...9, общепризнано, что наиболее целесообразной схемой является двухвальная. В ГТУ простого цикла для достижения высокой экономичности необходима большая степень сжатия. А при большом отличии давлений в начале и в конце компрессора резко отличаются объемные расходы, что неблагоприятно для создания единой эффективной проточной части компрессора. На нерасчетных режимах происходит и большое рассогласование работы ступеней. Необходимо иметь несколько рядов поворотных направляющих лопаток для обеспечения промежуточных режимов. Поэтому начиная с π _к ³ 10...12 целесообразно разделить газогенераторную часть турбогруппы на каскады (турбокомпрессорные блоки). Каскадом называют часть компрессора, приводимого своей турбиной. Турбина низкого давления (ТНД) вращает компрессор низкого давления (КНД), а турбина высокого давления (ТВД) приводит компрессор высокого давления (КВД). Для каскада высокого давления (ВД) обычно принимают частоту вращения заметно более высокую, чем для каскада низкого давления (НД), и это позволяет уменьшить размеры турбокомпрессорного блока ВД, создать более благоприятные условия для проектирования ступеней турбомашин обоих каскадов, а на нерасчетных режимах уменьшить рассогласование ступеней компрессора. Все три схемы (двухвальные однокомпрессорные и трехвальная двухкомпрессорная) получили большое распространение на отечественных и зарубежных газопроводах. Конвертированные авиацион­ные и судовые двигатели выполняют только по схемам, т.е. без регенерации теплоты.

Для всех схем ГТУ по сложным циклампредпочтительно трехвальное исполнение. Хотя число турбомашин в этих схемах такое же, как и при двухкаскадном газогенераторе в простом цикле, наличие теплообменников и трубопроводов к ним большого сечения заметно усложняет компоновку таких агрегатов. В принципе при использовании регулируемых КНД и КВД (с поворотными направляющими лопатками) и встроенных камер сгорания возможны и двухвальные схемы, но это тоже вызывает конструктивные трудности. Целесообразность отнесения ГТУ по сложным схемам к числу представляющих интерес в будущем проистекает из их более высокой экономичности (при одинаковой температуре газа), чем ГТУ по простому и регенеративному циклам (см. табл.1.1), и имеющемуся опыту применения их в различных областях техники. Кроме того, они не сложнее предлагаемых парогазовых установок, внедрение которых на КС рассматривается как реальное. Из представленных схем более перспективными являются: с промежуточным охлаждением и регенерацией (используют на судах морского флота); с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом (применяют в энергетике); с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регене­рацией теплоты (использовали в энергетических ГТУ на ранней стадии развития газотурбостроения).

При двухкомпрессорных схемах, характерных для авиаГТД наземного применения, возможно выполнение КНД с существенно увеличенным расходом воздуха, чем для остального тракта двигателя. Избыточный сжатый воздух может быть подогрет в специальном рекуператоре отходящими после СТ газами и расширен в дополнительной воздушной турбине, установленной на валу СТ-ЦН. При этом КПД установки растет на несколько процентов, однако корпуса КНД и воздушной турбины подвергаются воздействию усилий от горячих воздухопроводов под давлением и должны иметь жесткую конструкцию, несвойственную авиадвигателестроению.

Пока не исчерпаны имеющиеся значительные резервы повышения экономичности ГТУ простого и регенеративного циклов, разработка газо­турбинного привода для газовой промышленности по сложным схемам отступает на второй план из-за большой трудоемкости доводки образцов таких агрегатов и увеличенной сложности эксплуатации.

Другим способом повышения экономичности газотурбинного привода на КС является утилизация сравнительно высокопотенциального тепла уходящих газов безрегенераторных ГТУ для испарения воды под давлением в котле-утилизаторе и получения пара, который можно использовать в паросиловом цикле для выработки электроэнергии или для подмешивания в основной газотурбинный цикл. Создание комбинированной энергетической установки экономически целесообразно в том случае, когда на площадке КС или поблизости есть достаточно крупный потребитель электроэнергии, например компрессорный цех с электроприводными ЦН. Транспортировка побочно выработанной электроэнергии на большое расстояние малоэффективна. Однако эксплуатация мелких утилизационных паросиловых установок является затратным делом, в большинстве случаев экономически недостаточно обоснованным.

Что касается контактных схем, т.е. использования энергии пара в проточной части турбин ГТУ, то здесь требуются эффективные решения по конденсации отработавшего пара и возвращения воды в утилизационный котел. Украинскими научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями разработаны опытные установки, в которых отработавший пар может быть сконденсирован в смешивающем конденсаторе, а вода вновь использована в котле-утилизаторе. Если применить такую схему в составе газотурбинного привода ГПА, то достижима экономия топливного газа в 30-40%, но установка теряет мобильность и простоту, так как приведение в рабочее состояние утилизационного контура требует длительного времени и большого числа операций.

Некоторым достоинством циклов с использованием воды является то, что пар низких параметров может быть также эффективно использован в системе охлаждения турбин ГТУ, заменяя более дорогой воздух, но в этом случае также нет простых решений для ГТУ компрессорных станций ввиду их ограниченной единичной мощности.

К настоящему времени возможности простого цикла еще далеко не исчерпаны, и поэтому в конвертированных авиационных и судовых ГТД цикл с одной ступенью сжатия и расширения прочно закрепился и продолжает развиваться в направлении повышения π _к и Т _г.

Дата добавления: 2015-07-14