Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ

В осевом многоступенчатом компрессоре при изменении режима работы ГТУ меняются такие его основные параметры, как степень сжатия и расход воздуха. При пусках и остановах меняется также частота вращения ротора. Номинальные характеристики компрессора по стандартам ISO (нормы Международной организации стандартов) получают при параметрах атмосферного воздуха t_атм=15 ^оС, р_атм=101,3 кПа, его влажности d_атм=60 % и номинальной нагрузке ГТУ. Переменные режимы связаны как с изменением температуры наружного воздуха, так и нагрузки турбоустановки. Для оценок влияния режима работы компрессора в практике используются зависимости степени повышения давления и КПД от расхода воздуха (рис. 30.4). Эти зависимости называют характеристиками и они строятся для абсолютных значений параметров при фиксированных значениях частоты вращения валопровода ГТУ n (рис. 30.4,а). В большинстве своем характеристики компрессора получают на основе опытных испытаний компрессора, а также расчетов с привлечением надежных математических моделей и средств. По ним можно судить об экономичности и устойчивости работы компрессора на разных режимах его эксплуатации. При каждой частоте вращения ротора КПД компрессора и степень повышения давления в нем достигают максимальных значений при определенном расходе воздуха, который тем больше, чем больше частота вращения n. При работе ГТУ в энергосети частота вращения ее валопровода имеет постоянное значение и тогда на линии n=const характеристики компрессора будут располагаться точки, соответствующие режимам эксплуатации ГТУ в зависимости от ее нагрузки и температуры газов перед турбиной. Эти характеристики меняются при изменении параметров атмосферного воздуха (прежде всего, его температуры). Поэтому характеристики получают в форме универсальных зависимостей в относительном измерении к соответствующим нормам ISO (рис. 30.4,б). Чаще всего используются приведенные параметры, которые имеют единицы измерения, близкие к единицам обычных параметров, но не зависят от начальных параметров воздуха:

- относительная частота вращения ; (30.4)

- относительный расход воздуха . (30.5)

Кривые = const называют изодромами. В расчетном режиме =1. Приведенная частота n_пр= × n, где n – частота вращения валопровода. Для определения характеристик компрессора в нерасчетном режиме надо знать два параметра:

p_к^* = f ( , ) и h_к^* = f ( , ).

Рис. 30.4. Характеристики компрессора:

а – по абсолютным значениям параметров; б – универсальная характеристика

Одной из характеристик осевого компрессора является граница помпажа, определяющая границу его устойчивой работы. На характеристике компрессора (рис. 30.4,а) эта граница выделена. Область режимов выше данной границы является неустойчивой. Возникновение помпажа чаще всего происходит при пуске ГТУ, когда частота вращения ротора и расход воздуха через компрессор малы, а давление за компрессором резко повышается в начале процесса зажигания топлива в камере сгорания. Для защиты компрессора от помпажных явлений, связанных с вращающимся срывом потока в проточной части, в его конструкции предусмотрены антипомпажные устройства (антипомпажные клапаны). Через них часть воздуха из промежуточных ступеней сбрасывается в атмосферу. При пуске ГТУ также используется регулирование расхода воздуха ВНА (входной направляющий аппарат).

Границу помпажа определяют расход воздуха и другие параметры, при которых в компрессоре сначала появляются периодические хлопки, сопровождающиеся обычно выбросом воздуха во входной патрубок. При дальнейшем уменьшении расхода формируется сплошной гул и резкие колебания расходных характеристик, что вызывает существенное увеличение динамических нагрузок в лопаточном аппарате и дисках ротора компрессора. В итоге это явление приводит к поломкам, являющихся причиной тяжелых аварий. Поэтому работа компрессора в области границ помпажа не допустима.

Меры борьбы с помпажом разделяют на две группы. К первой группе относятся мероприятия, применяемые при проектировании компрессоров и направленные на увеличение области безотрывного обтекания компрессорных профилей при увеличении углов их атаки. Ко второй группе относятся мероприятия, связанные с организацией антипомпажных устройств. Антипомпажное устройство имеет специальный регулятор (регулятор количества), который через сервомотор воздействует на антипомпажный клапан. Регулятор количества вступает в действие при уменьшении расхода (подачи) до минимально допустимого уровня G_min. Изменяя открытие клапана, сбрасывающего воздух в атмосферу или во всасывающую магистраль, регулятор обеспечивает постоянную подачу компрессора G_min при любом расходе газа через турбину.

Наибольшее влияние на основные характеристики ГТУ оказывает изменение температуры наружного воздуха. Снижение температуры и переход к их отрицательным значениям увеличивает плотность воздуха и, следовательно, его расход через компрессор, мощность ГТУ и ее электрический КПД. При этом растет расход газов на выходе из газовой турбины, а их температура понижается. При постоянной начальной температуре рабочей среды перед ГТ переход к более низкой температуре наружного воздуха увеличивает степень повышения давления в компрессоре, что в соответствии с его характеристиками (рис. 30.4) снижает температуру выходных газов. На рис. 30.5 показаны основные зависимости по влиянию температуры наружного воздуха на мощность одной из ГТУ фирмы «АВВ», ее КПД, расход через компрессор и на уровень снижения температуры выходных из ГТ газов. Относительные величины представлены здесь по отношению к базовому режиму эксплуатации ГТУ (при t_н=15^оС).

Из представленных зависимостей следует, что изменение мощности, например, при изменении температуры наружного воздуха в диапазоне –20^оС ¸+45^оС составляет до 70%. Поэтому обычно номинальную мощность электрогенератора выбирают выше, чем мощность ГТУ на расчетном режиме. Так для ГТЭ-150 ЛМЗ при электрической мощности 150 МВт в расчетном режиме используется электрогенератор мощностью 210 МВт.

а) б)

Рис. 30.5. Влияние температуры наружного воздуха на изменение:

а) электрической мощности ГТУ (1 – номинальная нагрузка; 2 – пиковая нагрузка);

б) электрического КПД ГТУ (1 – 100 % нагрузки; 2 – 75 %; 3 – 50 %; 4 – 25 %; 5 – пиковая);

(1 – 100 % нагрузки; 2 – 75 %; 3 – 50 %; 4 – 25 %; 5 – пиковая нагрузка)

В некоторых ГТУ для стабилизации температуры выходных газов используется дополнительное дожигание топлива или регулирование расхода воздуха ВНА, а также ПНА первых ступеней компрессора. При работе в области отрицательных температур для ограничения роста мощности турбоустановки используется подогрев забираемого в компрессор воздуха в теплообменниках поверхностного типа или подмешиванием части уходящих из турбины газов. Так добавка 4 -5 % выходных газов в КВОУ ГТУ позволяет повысить температуру воздуха на 15–20^оС. При работе в области высоких температур наружного воздуха стабилизацию режимов по мощности ГТУ осуществляют посредством поверхностных охладителей или испарительных устройств. Испарительное охлаждение перед компрессором основано на впрыске в воздух воды, которая, испаряясь, понижает его температуру и повышает плотность.