Газотурбинной установки

Теория газотурбинных установок показывает, что они очень чувствительны к изменению термодинамических параметров цикла и, в частности, к изменению температуры и давлению наружного воздуха на входе в осевой компрессор установки. В условиях эксплуатации это проявляется в виде изменения внешних характеристик газотурбинной установки. При изменении давления наружного воздуха и неизменной его температуре, мощность установки изменяется прямо пропорционально изменению наружного давления. Однако колебания давления наружного воздуха на отдельных компрессорных станциях и от станции к станции происходят в сравнительно малых пределах, что и определяет малое влияние изменения давления наружного воздуха на работу ГТУ на магистральных газопроводах, расположенных в большинстве случаев в равнинной местности.

Значительно больше в условиях КС имеет место колебание температуры наружного воздуха, особенно сезонные. Отклонение температуры наружного воздуха от расчетной (t₁ = +15 ⁰C) вызывает значительное изменение эффективной мощности ГТУ, а в отдельных крайних случаях (вследствие ограничения температуры газов перед турбиной) может вызвать и вынужденную остановку агрегата, чтобы не вывести из строя лопатки и диски газовой турбины.

Изменение температуры наружного воздуха Т₁ при неизменной температуре газов перед турбиной Т₃ приводит к тому, что с понижением Т₁ мощность и частота вращения вала ГТУ возрастают, возрастает и производительность агрегата. Одновременно с этим растет КПД установки. Повышение Т₁ приводит к падению мощности и снижению частоты вращения вала ГТУ. Повышение мощности ГТУ до номинального значения здесь можно осуществить лишь за счет повышения температуры газов перед турбиной сверх расчетной.

При неизменной номинальной мощности установки, понижение температуры наружного воздуха приводит к уменьшению к снижению температуры газов перед турбиной и уменьшению частоты вращения вала ГТУ; КПД установки при этом повышается. Повышение температуры наружного воздуха приводит к обратному эффекту.

Большая чувствительность газотурбинных установок к изменению температуры наружного воздуха, поступающего на вход осевого компрессора, объясняется тем что, во-первых, многие современные ГТУ имеют постоянные проходные сечения газовой турбины и осевого компрессора, что исключает возможность регулирования расхода воздуха при неизменных параметрах рабочего тела ГТУ и, во-вторых, современные установки характеризуются большим значением соотношения работ сжатия и расширения l = h_к/ h_т = 0,60- 0,70 на номинальном режиме работы и l @ 0,80 на частичных нагрузках.

Резкого влияния изменения температуры наружного воздуха на режим работы и показатели ГТУ можно значительно уменьшить за счет применения поворотного входного направляющего аппарата в осевом компрессоре, что и осуществляется в конструкциях современных газотурбинных установках (в основном авиационного типа).

Влияние изменения граничных температур цикла на показатели ГТУ можно проследить на основе рассмотрения следующих соотношений.

Индикаторная мощность ГТУ, как известно, определяется соотношением:

N_i = N_ik – N_i,T = G_T C_p,m T₃ (1 – T₃ / T₁₎ – G_kC_p,m T₁ (T₂ / T₁ - 1) = = N_i,T (1 - l) = f (q, n, p_k) = f₁ (q, n); (1.75)

q = T₃ / T₁ ; p_k = P₂ / P₁ (1.76)

где q - соотношение граничных температур цикла; n – частота вращения вала ГТУ; p_k – соотношение давлений сжатия по осевому компрессору.

Приведенные соотношения показывают, что мощность ГТУ в значительной степени зависит от соотношения граничных температур цикла ГТУ. Приращение мощности ГТУ при малых отклонениях соотношений граничных температур цикла (Dq) от номинального значения (q₀₎ при неизменной частоте вращения (n = idem) равно:

DN_i = (¶ N_i / ¶q ) Dq (1.77)

Вместе с тем, изменение соотношения граничных температур цикла (Dq) будет различным в зависимости от изменения каждой из граничных температур цикла (Т₁ и Т₃ ):

T₁ = idem ; ¶q / T₃ = ¶ /¶T₃ (T₃ / T₁₎ = 1/ T₁ (1.78)

T₃ = idem ; ¶q /¶T₁ = - T₃ / T²₁ = - q /T₁ (1.79)

Следовательно:

¶q / ¶ T₁ = - q¶q /¶ T₃ ; ¶ N_i /¶ T₁ = - q¶ N_i /¶T₃ (1. 80)

Из соотношения (1.80) следует, что при любых значениях p_k, h_i,k , h_i,т весьма небольшое изменение температуры наружного воздуха (Т₁₎ может вызвать изменение мощности ГТУ в несколько раз большее, чем изменение температуры газов перед турбиной (Т₃ ).

Аналогичные рассуждения могут быть проведены и для оценки влияния граничных температур цикла на изменение КПД ГТУ.

Для получения расчетного соотношения по определению изменения мощности установки только от изменения температуры наружного воздуха, примем ряд упрощающих предпосылок: постоянное значение относительных КПД компрессора и турбины, постоянное значение соотношений давлений сжатия, постоянное значение температуры газов перед турбиной и расхода рабочего тела по установке. Изменяется только температура наружного воздуха.

Используя соотношение l = N_i,к / N_i,т , получим:

l = N_i,к / N_i,т » T₁ / T₃; l₀ = (N_i,к / N_i,т )₀ » T₀ / T₃ ; l = l₀ (T₁ / T₀ ), (1.81)

где Т₁ - текущее значение начальной абсолютной температуры наружного воздуха; Т₀ - начальное (расчетное) значение температуры воздуха в условиях номинального режима (Т₀ = 288,2 К); l₀ - соотношение мощностей компрессора и газовой турбины на расчетном режиме работы ГТУ.

Удельную мощность собственно газовой турбины (N_e,т / G_к) можно считать не зависимой от температуры наружного воздуха перед компрессором, но производительность самого компрессора зависит от температуры наружного воздуха (в условиях постоянства объемной производительности компрессора и постоянства давления наружного воздуха):

N_e,т / N_e,т,0 = G_к / G_к,0 = T₀ / T₁ » 1 - Dt₁ / T₀ (1.82)

где Dt₁ - изменение температуры наружного воздуха сравнительно с номинальным режимом; индексом «0» отмечен номинальный режим работы:

Dt₁ = T₁ - T₀ (1.83)

Текущее (N_e ) и номинальное (N_e,0) значения мощности газотурбинной установки определяются при этом следующими соотношениями:

N_e = N_eт – N_eк = N_eт (1 - l) = N_e,т,0 (1 - Dt₁ /T₀₎ (1 - l₀ T₁/T₀₎, (1.84)

N_e,0 = N_e,т,0 – N_e,к,0 = N_e,т,0 (1 - l₀ ) (1.85)

Отсюда относительное изменение мощности газотурбинной установки при изменении температуры наружного воздуха определяется соотношением [ 4 ]:

(1.86)

Соотношение мощностей осевого компрессора и газовой турбины на номинальном режиме обычно составляет l₀ » 0,65. Это значит, что теоретическое соотношение мощностей газотурбинной установки при наинисшей температуре наружного воздуха (t₁ = - 35 ⁰C ; Dt₁ = - 50 ⁰C) и наивысшей (t₁ = + 35 ⁰C ; Dt₁ = + 20 ⁰C) составляет:

N_e,max. / N_e,min = 1,552 / 0,811 = 1,914,

Величина отношения номинальных мощностей газовой турбины при температуре воздуха + 15 ⁰С (обычная расчетная температура, при которой принято определять номинальную мощность ГТУ) и при температуре – 15 ⁰С, т.е. в условиях зимнего периода эксплуатации ГТУ:

N_{e,(при –15)} / N_{e,(при +15)} = 1, 318

Это значит, что за счет снижения температуры воздуха на входе в осевой компрессор можно осуществить значительную форсировку газотурбинного двигателя.

Все выпускаемые в нашей стране газотурбинные установки проектируются на стандартную температуру наружного воздуха (+ 15 ⁰ с) и стандартное давление наружного воздуха Р = 0,1 МПа, но эксплуатируются в самых различных климатических условиях.

Теория турбомашин дает возможность привести показатели эксплуатируемых в различных климатических условиях ГТУ к единым расчетным условиям, по так называемым формулам приведения.

Обычно влияние температуры и давления атмосферного воздуха учитывается путем построения универсальных характеристик двигателя, представляющих собой графические связи между параметрами подобия.

Независимыми переменными в этих условиях являются величины: р₁, Т₁, расход топлива В и частота вращения n ; зависимыми – G, N, T₃, p_k, h ; возможны ограничения по температуре газов перед турбиной Т₃ и по мощности установки N. Соответственно этому разделяются и параметры подобия – на независимые и зависимые [10].

Приведенная относительная мощность на муфте нагнетателя:

(1.87)

Относительные приведенные температуры по трактам ГТУ:

T_{от. пр.} = (1.88)

Приведенный расход воздуха через осевой компрессор:

(1.89)

Приведенные давления по трактам ГТУ:

(1.90)

Приведенная частота вращения:

(1.91)

эффективный КПД:

(1.92)

где Т₁ и р₁ - соответственно фактическая температура и давление наружного воздуха; индексом «0» отмечено номинальное (расчетное) значение параметра.

Каждый относительный параметр, приведенный к нормальным условиям зависит от приведенной относительной мощности, что позволяет использовать в расчетах следующие упрощенные соотношения [6]:

N e, _от..пр. = 1 – 4,2 (1 – T_{3, от. твд., пр.)} T_{3, твд.пр.}, (1.93)

где Т_{3,твд,пр.} - приведенная относительная температура газов на входе в газовую турбину;

Приведенная температура на выходе газовой турбины связана с приведенным значением мощности ГТУ соотношением:

Т_{вых. тнд.пр.} = 1 – 0,165 (1 – N_{e, пр.}) (1.94)

Приведенный КПД установки связан с изменением относительной мощности ГТУ соотношением:

(1.95)

Приведенный расход топливного газа:

B_г.пр. = 1 – 0,75 (1 – N_e,пр.). (1.96)

Наличие и использование приведенных соотношений позволяет сопоставить проектные и фактические показатели эксплуатируемых установок не зависимо от района их расположения и определять эффективность их использования на КС.

Наличие соотношений 1. 93 и 1.94 позволяет построить графические связи между мощностью ГТУ и температурой газов перед ТВД или за ТНД и по изменению температур или мощности судить об изменении другого параметра, а также об изменении относительного КПД или относительном расходе топливного газа (соотношения 1.95 и 1.96 ).

Например, при программе регулирования Т₃₀ = idem с изменением температуры окружающего воздуха Т₁, целесообразно использовать следующие параметрические связи:

; (1.97)

; (1.98)

; (1.99)

. (1.100)

В качестве иллюстрации на Рис. 1.20 приведены некоторые из указанных зависимостей для газотурбинной установки простого цикла. Порядок пользования такими зависимостями можно проследить на основе следующего примера. Пусть соотношение граничных температур цикла соответствует величине q = Т₃₀/Т₁₀ = 3,5. Этому значению на графике 1.20 соответствует параметр мощности = 3,3. Температура воздуха Т₁ выросла настолько, что температурная характеристика стала равной q = 3,2. По кривой 1 (Рис. 1.20) находим, что Следовательно, относительное снижение мощности составит (р₁ = idem) [9]:

эти результаты достаточно хорошо согласуются с опытными данными.

На Рис. 1. 21 показано изменение относительного КПД и мощности установки для без регенеративной ГТУ при следующих исходных данных расчета: q = 4; t =2; h_т = h_к = 0,85 ; h₀ = 0,22. Из этих данных видно, что изменение температуры наружного воздуха оказывает заметное влияние на экономичность ГТУ. В летний период при t₁ = 30-35 ⁰C (t_1,0 = +15 ⁰C) можно ожидать понижения кпд установки примерно на 10%. В зимний период при ограничении мощности установки повышение КПД незначительно –3-5%; если же в средней полосе при t₁ = -30 ¸ - 35 ⁰С сохранить возможность регулирования по Т₃ = idem, то повышение КПД может достигать величины порядка 20%.Определенный интерес представляет оценка влияния и изменения давления наружного воздуха на мощность установки. Так если за опорные значения температур и давления принять их показатели на уровне моря, то на основании обработки существующих данных об изменении этих параметров с изменением высоты над уровнем моря можно получить следующие зависимости [2]:

p_1,h = p_1,0×e ^{-0,127 h} ; T_1,h = T_1,0 (1 – 0, 0225 h) , (1.101)

где h – высота над уровнем моря, км.

Предположим, как и ранее, что при изменении наружного давления и температуры, неизменными остаются параметры Т₃ и p_к .

Давление воздуха перед осевым компрессором р₁ само не входит в общие термодинамические соотношения , однако при условии, что p_к = idem оно будет влиять на расход воздуха через компрессор. В связи с этим можно записать:

(1. 102)

Соответственно, эффективная мощность установки на высоте h будет определяться соотношением:

(1.103)

где z- коэффициент характеризующий величину гидравлических сопротивлений по тракту установки.

Расчеты показывают, что для высокогорных участков прокладки газопроводов, снижение мощности установки в относительном виде можно характеризовать соотношением (с учетом уравнений 1. 101):

_e,h = (1.104)

Уравнение (1. 104) дает возможность оценить насколько может снижаться мощность ГТУ в высокогорных районах прокладки газопроводов (Рис. 1. 22).

Для многовальных ГТУ дополнительным условием связи внешних показателей ГТУ и параметрами наружного воздуха является баланс мощности по турбокомпрессору. На Рис. 1.23 показан характер изменения эффективной мощности трехвального двигателя простой схемы с силовой турбиной низкого давления в зависимости от температуры наружного воздуха t₁.

Расчеты показывают, что регенерация тепла отходящих газов весьма слабо влияет на изменение внешних характеристик двигателя при увеличении или уменьшении величины Т₁.