Практическая работа: "Поддержание режима работы оборудования газотурбинной установки в соответствии с технологическими нормами"

Дата_10.04.2020 Группа: 927 Преподаватель: А.В. Каркин

Междисциплинарный курс: МДК 05.01 Эксплуатация основного и вспомогательного турбинного оборудования атомных электрических станций"

Практическая работа: «Поддержание режима работы оборудования газотурбинной установки в соответствии с технологическими нормами».

Цель работы: овладеть основными навыками поддержания режима работы оборудования газотурбинной установки в соответствии с технологическими нормами.

Уровень освоения: 3

Тип занятия: закрепление и совершенствование знаний, умений и навыков.

Вид занятия: Практическая работа.

Оборудование и методическое обеспечение:

ПК, интерактивная доска, проектор, локальная сеть.

Студент должен в соответствии с ФГОС СПО:

У 8 - поддерживать режим работы оборудования газотурбинной установки в соответствии с технологическими нормами.

Основные сведения.

Поддержание режима работы оборудования газотурбинной установки в соответствии с технологическими нормами.

Пуск ГТУ. В отличие от паровой турбины, пуск которой производится паром от котла, для запуска в работу ГТУ необходимо пусковым устройством привести во вращение ротор турбокомпрессора, воздух от компрессора одновременно с топливом подать в камеру сгорания, зажечь пилотные горелки и перейти к дальнейшим операциям по пуску ГТУ.

Пуск простой одновальной ГТУ состоит из следующих операций:

1. Ротор разворачивается пусковым устройством. Для крупных энергетических турбин в качестве пускового устройства, как правило, используется собственный электрический генератор ГТУ, который при пуске питается от пускового тиристорного устройства и работает в режиме электродвигателя, разворачивая ротор ГТУ до определенной частоты вращения, составляющей обычно 0,2—0,3 номинальной. Наибольшую опасность при развороте представляет так называемый помпаж, возникающий при малых расходах воздуха через компрессор. Для оценки работы компрессора на различных режимах и его эксплуатационных качеств пользуются характеристиками, которые строятся на основании опытных данных, полученных при специальных испытаниях. Наиболее часто употребляют характеристики, выражающие графически зависимость отношения давлений ε и КПД компрессора η_к от Gк при заданной частоте вращения n. По ним легко судить об экономичности и устойчивости работы компрессора на разных режимах. На рис. 1 представлены такие характеристики для многоступенчатого осевого компрессора. Как можно видеть, при каждой частоте вращения n КПД компрессора η_к и отношение давлений ε достигают максимума при определенном расходе воздуха, который тем больше, чем выше n. При заданном значении п уменьшение расхода Gк ниже определенного предела вызывает неустойчивую работу компрессора, называемую помпажем. Работа ГТУ в области помпажа недопустима, так как в компрессоре появляются сильные пульсации потока воздуха, возникает вибрация лопаток и всего компрессора, что может привести к серьезной аварии. Линия АБ, соединяющая точки начала помпажа при различных значениях n, называется границей помпажа. Слева от нее расположена область помпажа, а справа — область устойчивых режимов работы компрессора. Наиболее вероятно возникновение помпажа при пуске ГТУ, когда частота вращения ротора и расход воздуха через компрессор малы, а давление за компрессором резко повышается при зажигании горелок камеры сгорания. Для устранения помпажа применяются антипомпажные клапаны, которые имеют два положения: закрыт—открыт. Клапаны открываются перед пуском ГТУ, и через них сбрасывается часть воздуха из промежуточных ступеней компрессора в атмосферу. При этом увеличивается расход воздуха на входе в компрессор, и тем самым режим работы компрессора удаляется от границы помпажа (см. рис. 1). Для регулирования расхода воздуха при пусковом режиме, а также при режимах частичной мощности применяются регулируемые (поворотные) направляющие аппараты перед компрессором и/или на нескольких первых ступенях компрессора. Таким образом, в период пуска регулируемые ВНА (входные направляющие аппараты) прикрыты для снижения расхода воздуха. В начале пуска открыты антипомпажные клапаны.

2. Топливо подается в камеру сгорания, и образующаяся в смесительном устройстве камеры сгорания топливовоздушная смесь зажигается с помощью запального устройства (плазменного зажигателя). Расход топлива увеличивается путем открытия топливного клапана. По мере увеличения расхода топлива растут: температура газов перед турбиной, мощность газовой турбины и частота вращения ротора турбоагрегата.

При определенной температуре газа перед турбиной и некоторой частоте вращения устанавливается равенство мощности газовой турбины и мощности, потребляемой воздушным компрессором (с учетом механических потерь в подшипниках и пр.).В этом состоянии после небольшого дополнительного увеличения расхода топлива пусковое устройство отключается, и ГТУ переходит в режим самоходности.

3. При дальнейшем увеличении расхода топлива турбоагрегат разворачивается газовой турбиной до достижения номинальной частоты вращения, затем производятся синхронизация электрического генератора с сетью и включение его в сеть. Таким образом турбоагрегат выводится на режим холостого хода. В процессе пуска антипомпажные клапаны закрываются, а входные направляющие аппараты устанавливаются в положения, предписываемые

программой запуска. При этом, как правило, обеспечивается уменьшенный по сравнению с номинальным расход воздуха через компрессор.

Нагружение ГТУ. В процессе нагружения ГТУ до номинальной мощности увеличивается расход топлива открытием регулирующего клапана, изменяются углы установки ВНА компрессора по соответствующей программе, расход воздуха увеличивается до номинального значения.

Работа ГТУ на переменных режимах. Переменные режимы ГТУ простого цикла определяются следующими внешними 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. Такое всегда наблюдается в автономной системе, где ГТУ служит приводом электрического генератора, работающего на автономную электрическую сеть. 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.

Таким образом, для ГТУ, как и для любого первичного двигателя, основной задачей управления является обеспечение необходимой (заданной потребителем) мощности, а для энергетических ГТУ необходимым требованием при этом должно быть поддержание постоянной частоты вращения приводимого электрического генератора.

Эта задача и требование должны быть выполнены при произвольных атмосферных условиях. Естественно, переменные режимы работы ГТУ следует осуществлять таким образом, чтобы экономичность при каждом режиме была максимально высокой.

Рассмотрим, как можно удовлетворить сформулированным условиям на примере простой одновальной ГТУ, предназначенной для привода электрического генератора при постоянной частоте вращения.

Пример выбран не только по соображениям простоты анализа, но также и вследствие наибольшего распространения таких ГТУ на ТЭС в качестве самостоятельных двигателей (пиковых и резервных) и в составе парогазовых установок различного типа .

Вначале примем, что основные агрегаты ГТУ —компрессор, камера сгорания, газовая турбина —имеют неизменяемые сечения в газовоздушном тракте. Для одновальной ГТУ простого типа с неизменяемыми сечениями в проточной части и при данных атмосферных условиях имеется единственный способ изменить режим ее работы — это изменение расхода топлива путем воздействия на клапан, подающий топливо (жидкое или газообразное) в камеру сгорания.

Предположим, что в исходном состоянии ГТУ работает на номинальной мощности и требуется ее уменьшить. Для этого воздействием на регулирующий клапан (РК) снижают расход топлива в камеру сгорания. Вслед за этим происходит следующее:

-температура газов за камерой сгорания уменьшается, давление газа перед газовой турбиной понижается (вследствие уменьшения температуры газа) и соответственно снижается давление воздуха за компрессором. Поскольку частота вращения вала ГТУ остается неизменной, то в соответствии с расходной характеристикой компрессора при n = n₁== const расход воздуха несколько возрастает. Итак, уменьшение расхода топлива в целях снижения мощности в ГТУ этого типа ведет к некоторому увеличению расхода воздуха, к снижению температуры газов за камерой сгорания и перед газовой турбиной, а это приводит к снижению экономичности.

КПД ГТУ рассматриваемого типа представляется зависимостью

η = η(Tc/ Ta, ε, ηт, ηк), где Т_с- температура сопловой решетки, Т_а –температура воздуха перед компрессором, ηт- тепловое КПД, η_к-КПД компрессора, которая справедлива (с несущественными уточнениями) не только для номинального (расчетного), но и для любого переменного стационарного режима. В рассматриваемом случае все параметры изменяются таким образом, что это приводит к снижению КПД. Наиболее существенно снижается КПД из-за уменьшения начальной температуры газа Тс и снижения отношения давлений ε.

Из уравнения мощности (N = GH) видно, что в данном случае мощность уменьшается за счет снижения полезной работы ГТУ Н, и при этом расход G, как отмечено, даже несколько возрастает. Такой характер изменения мощности называется качественным регулированием — это наиболее неблагоприятный (наименее экономичный) способ изменения мощности ГТУ.

Количественное регулирование — это такой способ изменения мощности двигателя, при котором изменяется только расход рабочего тела, в то время как температура среды в различных точках газовоздушного тракта, а также величины ε, η_т, η_к остаются постоянными или близкими к постоянным. При количественном регулировании КПД ГТУ остается близким к номинальному (расчетному) значению. Количественное регулирование в ГТУ открытого процесса не может быть реализовано в чистом виде, это происходит из-за того, что одно из давлений в цикле — атмосферное и вообще не зависит от режима ГТУ. Однако можно реализовать промежуточный случай, когда при частичных режимах мощность изменяется не только за счет изменения H, но также вследствие изменения расхода среды G.

Очевидно, что экономичность ГТУ на частичных нагрузках тем выше, чем значительнее удается сократить расход среды, т.е. уменьшить расход воздуха через компрессор при соответствующей мощности ГТУ.

В современных ГТУ простого типа это достигается применением поворотных направляющих аппаратов компрессора: лопатки входного направляющего аппарата, а также, иногда, и направляющие лопатки нескольких первых ступеней компрессора имеют механизм привода, обеспечивающий одновременный поворот всех лопаток каждого венца относительно их осей. При этом изменяется проходное сечение направляющего аппарата.

Таким способом удается менять расход воздуха через компрессор в пределах 70—100 % номинального расхода при достаточно высоком КПД компрессора. Прямым следствием снижения расхода воздуха через компрессор при частичных мощностях ГТУ является поддержание температуры газа перед турбиной и за ней на более высоком уровне. Вследствие более высокой температуры газа перед газовой турбиной достигается более высокий КПД ГТУ, а повышенная температура td за турбиной обусловливает повышенную экономичность при частичных нагрузках парогазовых установок, для которых чем выше td , тем выше экономичность паротурбинной части ПГУ, следовательно, и ПГУ в целом. Влияние атмосферных условий на мощность и экономичность ГТУ простого типа оказывается значительным. Особенно существенно влияет температура ta забираемого компрессором воздуха на мощность ГТУ.

В качестве примера на рис.2 представлены характеристики ГТУ V94.3A фирмы «Сименс» при переменной температуре наружного воздуха. При понижении температуры воздуха мощность и КПД растут. При ta= tн.в

.

Рис. 2 Зависимости относительной мощности и относительного КПД на зажимах генератора от температуры наружного воздуха для ГТУ V94.3A фирмы «Сименс»

Особенности системы управления ГТУ. Для обеспечения нормальной эксплуатации при всех существующих (номинальном, переменных и переходных) режимах газотурбинная установка имеет системы управления, регулирования, защиты.

В современных крупных ГТУ используются автоматизированные системы управления (АСУ), выполняющие следующие функции:

1) автоматическое и дистанционное управление пуском, нагружением, разгружением и остановкой ГТУ;

2) регулирование (поддержание на задаваемом уровне или в заданных пределах) следующих параметров:частоты вращения турбоагрегата с заданной степенью неравномерности; температур газа перед турбиной и за ней; активной нагрузки электрического генератора; режима работы компрессора на необходимом удалении от границы помпажа;

3) защиту ГТУ: отключение и остановку при аварийных ситуациях, из которых наиболее серьезными являются: недопустимое повышение температуры газа перед газовой турбиной и за ней: недопустимое повышение частоты вращения ротоа; 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/или корпусов подшипников.

Автоматизированная система управления современной энергетической ГТУ выполняется (подобно ПТУ), как правило, электрогидравлической, в нее входят электрическая часть (ЭЧСР) на микропроцессорной базе и гидравлическая часть (ГЧСР).

Как видно, функциональные задачи и структура АСУ ГТУ во многом аналогичны задачам и структуре АСУ паровых турбин. Имеющиеся отличия связаны с особенностями ГТУ как объекта регулирования.

Перечислим главные из этих особенностей:

1. По сравнению с паровыми турбинами в ГТУ для управления машиной требуются меньшие размеры стопорных и регулирующих клапанов, меньшие размеры и перестановочные усилия сервомоторов, и при этом проще обеспечить большее их быстродействие.

2. Регулирование режима ГТУ производится воздействием на регулирующие топливные клапаны, подающие топливо непосредственно в камеру сгорания, что обусловливает существенно меньшую, чем в котле ПТУ, инерционность процесса подвода теплоты к рабочему телу в камере сгорания ГТУ. В ГТУ имеется возможность быстрого изменения температуры газа перед турбиной. Это придает особую важность регулированию температуры газа перед турбиной и за ней.

3. Газотурбинная установка весьма чувствительна к изменению атмосферных условий, в особенности к изменению температуры воздуха на входе в компрессор. Система регулирования мощности должна обеспечивать требуемые режимы работы ГТУ для любых реально возможных параметров наружного воздуха с достаточной надежностью.

4. Для ГТУ имеется опасность возникновения помпажа компрессора. Для надежной работы ГТУ необходимо, чтобы на всех возможных режимах работы помпаж компрессора был безусловно исключен с некоторым определенным запасом по отношению к границе помпажа.

5. Для пуска ГТУ необходима предварительная раскрутка ротора с помощью пускового устройства.

Автоматизированные системы управления современных ГТУ включают в себя составляющие части, обеспечивающие функционирование установки с учетом названных ее особенностей.

Контрольные вопросы:

1. Опишите операции пуска ГТУ.

2. Что называют помпажем компрессора?

3. Что является пусковым устройством ГТУ?

4. Что применяется для устранения помпажа?

5. Как оценивается работа компрессора и его эксплуатационные качества на различных режимах?

6. Опишите процесс нагружения ГТУ.

7. Опишите работу ГТУ на переменных режимах.

8. Опишите функции АСУ ГТУ.

9. Назовите основные причины аварийной остановки ГТУ.

10. Назовите отличие АСУ паровых турбин от АСУ ГТУ.