Лекции по газотурбинным установкам (Поршаков)

Подождите немного. Документ загружается.

Б.П. ПОРШАКОВ, А.А. АПОСТОЛОВ, В.И. НИКИШИН

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ НА ГАЗОПРОВОДАХ.

Допущено Учебно-методическим

объединением по высшему нефте-

газовому образованию в качестве

учебного пособия для студентов

вузов нефтегазового профиля, спе-

циализирующихся в области тру-

бопроводного транспорта природ-

ных газов по курсу «Газотурбин-

ные установки».

ГУП Издательство «Нефть и газ»

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Москва 2003

УДК 620.621.643/644.004

К 59

Б.П. Поршаков, А.А. Апостолов, В.И. Никишин. Газотурбинные

установки: -М: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.

Губкина, 2003. – 240 с.

Рассмотрена общая теория газотурбинных установок открытого цикла

применительно к использованию их магистральных газопроводах.

проанализированы основные пути и способы повышения эффективности их

использования на магистральных газопроводах при различных режимах работы.

Книга снабжена большим количеством иллюстративного материала с

приведением задач, характерных для анализа режима работы газотурбинных

установок.

Книга предназначена для студентов вузов и факультетов нефтегазового

профиля, специализирующихся для работы на компрессорных станциях

магистральных газопроводов с газотурбинным типом привода. Она может быть

полезна и для инженерно-технических работников, занимающихся

эксплуатацией и обслуживанием этих агрегатов на компрессорных станциях.

Рецензенты:

В.М. Писаревский – зав. Кафедрой транспорта нефти и газа в РГУ

нефти и газа им. И.М. Губкина, доктор техниче-

ских наук, профессор.

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС...................6

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК...........................................................................6

1.1. Принципиальные схемы газотурбинных установок открытого цикла.........6

1.2 Термодинамические основы теории газотурбинных двигателей................14

1.3. Коэффициент полезного действия и удельная работа.................................21

действительного цикла ГТУ..................................................................................21

1.4. Теплотехническое совершенствование цикла газотурбинного двигателя.36

1.5. Газотурбинная установка с регенерацией тепла отходящих газов.............43

1.6. Влияние параметров наружного воздуха на работу.....................................54

газотурбинной установки......................................................................................54

ГЛАВАK2.KОСНОВЫKТЕОРИИKТУРБОМАШИН...................................................63

2.1. Осевые турбомашины.....................................................................................63

2.2.KХарактеристики активной и реактивной ступени газовой турбины...........68

2.3. Внешние характеристики газотурбинных установок...................................72

ГЛАВА 3. РАБОТА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА................................76

ЧАСТИЧНЫХ НАГРУЗКАХ....................................................................................76

3.1. Переменный режим работы газотурбинной установки...............................76

3.2. Экономичность газотурбинных установок на частичных...........................84

нагрузках и холостом ходу....................................................................................84

3.3. Помпаж осевых компрессоров и центробежных нагнетателей...................87

ГЛАВА 4. ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК.........................................................................93

4.1 Устройство и принцип работы камеры сгорания ГТУ..................................93

4.2 Материальный и тепловой балансы камер сгорания.....................................97

4.3. Условия образования вредных выбросов при сжигании топлива в

камерах сгорания ГТУ..........................................................................................104

4.4 Выбросы загрязняющих веществ с продуктами сгорания и......................107

методы их снижения.............................................................................................107

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК НА ГАЗОПРОВОДАХ...................................................................112

5.1. Технологические схемы компрессорных станций.....................................112

5.2 Типы газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом и их

характеристики......................................................................................................117

5.3. Нагнетатели природного газа и их характеристики...................................121

5.4 Пуск газоперекачивающего агрегата в работу и его загрузка....................127

5.5 Подготовка циклового воздуха при эксплуатации газотурбинных...........130

установок на газопроводах..................................................................................130

5.6 Особенности работы газотурбинных агрегатов при различных

технологических режимах газопроводов...........................................................137

5.7 Оптимизация режимов работы газоперекачивающих агрегатов с

газотурбинным приводом по условию максимального КПД...........................143

5.6 Совместное использование газотурбинного и электрического типов

привода на компрессорных станциях.................................................................150

5.7. Сопоставление газотурбинных и электроприводных агрегатов и

определение срока их службы на КС..................................................................153

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА...................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Анализ существующего состояния трубопроводного транспорта

природных газов и оценка перспектив его дальнейшего развития показывают,

что газотурбинный вид привода центробежных нагнетателей на компрессорных

станциях ( КС ) как в настоящее время, так и на ближайшую перспективу

остается одним из основных видов энергопривода КС. В настоящее время

относительная доля установленной мощности компрессорных станций в

системе ОАО «Газпром» составляет свыше 85%; остальное приходится на долю

газоперекачивающих агрегатов с электроприводом и установок с поршневым

типом привода.

Непосредственное вращательное движение, относительная простота

обслуживания, высокая агрегатная мощность, работа установок на

перекачиваемом виде топлива и многое другое обеспечивают широкое

использование газотурбинных установок на магистральных газопроводах.

Газотурбинные установки (ГТУ), используемые на газопроводах

выполняются по простейшим открытым циклам в двухвальном и трехвальном

исполнении с регенерацией или без регенерации тепла отходящих газов.

На современном этапе использования ГТУ в промышленности, особое

значение приобретает знание во всех подробностях физики явлений,

протекающих в турбомашинах. В связи с этим, авторы сочли необходимым по

возможности подробным образом рассмотреть термодинамические и

газодинамические процессы, происходящие в турбомашинах, отметить

основные направления их дальнейшего развития и, в первую очередь, пути

наиболее эффективного использования их на магистральных газопроводах, где

они получили широкое распространение.

При использовании газотурбинных установок в различных отраслях

промышленности и, в частности, на магистральных газопроводах, их

необходимо рассматривать как установки, вырабатывающие по сути дела не

только механическую работу для привода центробежных нагнетателей, но и

теплоту отходящих из турбины газов, рациональное использование которой на

компрессорных станциях для обогрева служебных помещений в осенне-зимний

период эксплуатации, а также прилегающих поселков является весьма

актуальной задачей. Расчеты показывают, что из общего количества

подведенного в камере сгорания ГТУ топлива, в общей сложности около 80-

85% его может быть эффективно использовано.

Известные успехи авиационной промышленности в разработке и создании

мощных, компактных и надежных газотурбинных двигателей с КПД на уровне

34-35% привели к относительно широкому использованию на газопроводах и

ГТУ авиационного типа, несколько реконструированных применительно к

условиям работы их на компрессорных станциях.

В условиях реконструкции и модернизации энергооборудования

компрессорных станций, заменой физически изношенных и морально

устаревших газоперекачивающих агрегатов, важное значение приобретают

задачи, связанные с выбором и использованием наиболее эффективного вида

энергопривода КС , оценкой его потенциальных возможностей при

эксплуатации на газопроводах.

В основу настоящего учебного пособия положены в основном материалы

лекций, читаемые в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, многолетний опыт по

эксплуатации агрегатов на компрессорных станциях, а также материалы книг

монографического плана и периодических изданий, освещающих особенности

использования ГТУ на газопроводах.

При написании данного пособия предполагалось, что читатель знаком с

основами курсов термодинамики, теплопередачи и общей теорией работы

лопаточных машин.

Авторы.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.1. Принципиальные схемы газотурбинных установок открытого цикла

Газотурбинным двигателем (ГТД) можно назвать такой двигатель, в

котором в качестве рабочего тела (в отличие от паровых турбин) используется

неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива или нейтральные

газы), а качестве тягового двигателя применяется газовая турбина, а все

основные процессы цикла (в отличие от поршневых двигателей) совершаются в

различных конструктивных элементах установки [3]. Сам термин «турбина»

происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчек.

Турбина и есть тот двигатель, в котором механическая работа на валу машины

получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою

очередь получаемую в результате преобразования потенциальной энергии

рабочего тела – энергии сгоревшего топлива.

В основе современных представлений превращения тепла в работу лежат

два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного

двигателя первого рода, когда полезная работа получается без затраты энергии

извне (следствие первого начала термодинамики), и невозможность создания

вечного двигателя второго рода, в котором тепло полностью превращалась бы в

работу (следствие второго начала термодинамики).

Следовательно, непременным условием создания и работы любого

теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и,

по меньшей мере двух тепловых источников – источника высокой температуры

(нагреватель), от которого берется тепло для преобразования части его в работу,

и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованного

тепла в двигателе.

Это значит, что каждый тепловой двигатель должен состоять из

нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессионной

машины. Причем, так как необходимо непрерывно превращать тепло в работу,

то необходимо и непрерывно, наряду с подводом тепла и расширением,

сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была

бы меньше работы расширения.

Получаемая в двигателе полезная работа определяется как разность между

работой расширения и работой сжатия.

Основным отличительным признаком газотурбинного двигателя, например,

от поршневых двигателей внутреннего сгорания, является организация

круговых процессов. В поршневых машинах, как известно, все основные

процессы цикла – сжатие, подвод тепла и расширение последовательно сменяют

друг друга в одном и том же замкнутом пространстве система цилиндр –

поршень), а в газотурбинном двигателе все эти процессы непрерывно

осуществляются в различных его элементах, последовательно расположенных

по ходу движения рабочего тела (компрессор – камера сгорания - газовая

турбина).

В зависимости от способов организации подвода тепла топлива к рабочему

телу, организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки

(ГТУ) могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому

(замкнутому) и полузамкнутому циклам.

В ГТУ открытого цикла, представляющих наибольший промышленный

интерес и получивших наибольшее распространение, наружный воздух, пройдя

систему очистных фильтров, процесс сжатия в компрессоре, систему подвода

тепла топлива в камере сгорания и процесс расширения образовавшихся

продуктов сгорания в газовой турбине, через выхлопную трубу выбрасывается в

атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку вновь в качестве рабочего тела.

В ГТУ закрытого цикла, рабочее тело (например, воздух), находящиеся под

относительно высоким давлением, постоянно циркулирует в системе,

последовательно проходит процессы сжатия, подвода тепла, расширения и

охлаждения перед поступлением вновь на сжатие. При этом процессы

охлаждения рабочего тела и подвод тепла осуществляются с использованием

соответствующих теплообменных аппаратов, исключая тем самым

непосредственный контакт между рабочим телом, топливом и продуктами его

сгорания.

ГТУ полузакрытого типа являются установками промежуточной схемы -

между установками открытого и закрытого циклов.

Отличительной особенностью термина газотурбинный двигатель от

термина газотурбинная установка является то, что в понятие газотурбинная

установка включается не только само понятие газотурбинный двигатель, но и

сопутствующие ему элементы, обеспечивающие его работу (система

организации подвода циклового воздуха, топлива, смазки, системы пуска и

остановки агрегата, разного рода контролирующие приборы и т.д.)

Некоторые простейшие схемы ГТУ открытого цикла приведены на Рис.1.1.

Схема а) соответствует варианту ГТУ в одновальном исполнении; схема б) –

варианту ГТУ в двухвальном исполнении (ГТУ с независимой силовой

турбиной).

Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы Рис. 1.1а и Рис. 1.1б

осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему

воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора (К), где

сжимается до давления 0,6-1,6 МПа. После сжатия в компрессоре, воздух с

температурой примерно 240-340

С поступает в камеру сгорания (КС), где за

счет сжигания подводимого топлива, температура рабочего тела доводится до

величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины

(Т) – в стационарных ГТУ порядка 800-950

С; в авиационных – порядка 1000-

1150

С. После прохождения газовой турбины, продукты сгорания с

температурой порядка 400-500

С выбрасываются в атмосферу.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, идет на привод осевого

компрессора (большая ее часть, примерно 65 – 70 %) и на привод

центробежного нагнетателя, либо для выполнения какой-то другой полезной

нагрузки. КПД таких установок в настоящее время могут находиться на уровне

28-32%.

С точки зрения основных показателей ГТУ на номинальной нагрузке,

приведенные схемы ГТУ (а) и (б) между собой ничем не отличаются, но схема

(б), получившая развитие на магистральных газопроводах, позволяет

стабилизировать показатели работы установки на переменной нагрузке, в силу

того, что турбина низкого давления (ТНД), которую иногда называют тяговой

или силовой турбиной, может иметь различную частоту вращения силового вала

в зависимости от изменения полезной нагрузки и не оказывать при этом

практически какого-либо влияния на частоту вращения вала турбины высокого

давления (и осевого компрессора), сохраняя тем самым подачу циклового

воздуха на постоянном уровне. В этом случае система осевой компрессор-

турбина высокого давления выступают как генератор газа в ГТУ.

В одновальных установках все элементы ГТУ – осевой компрессор, газовая

турбина и нагнетатель (полезная нагрузка) находятся на одном валу, что

естественно приводит к тому, что при работе они все имеют одну и туже

частоту вращения. Это приводит к тому, что при использовании их, например,

на газопроводах различные законы изменения характеристик одновальной ГТУ

и нагнетателя, при снижении частоты вращения, приводят к тому, что ГТУ

быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая

нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ может обеспечить

режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения

частоты вращения его вала. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов

ГТУ, осуществить работу агрегата с приводом от одновальной газотурбинной

установки в широком диапазоне изменения частоты вращения вала нагнетателя

будет уже невозможно.

В ГТУ с «разрезным» валом, вал силовой турбины и нагнетателя, не будучи

механически связанными с валом осевого компрессора и турбины высокого

давления, может иметь практически любую частоту вращения, ему

необходимую.

Благодаря этим особенностям, двухвальные ГТУ как без регенерации

Рис. 1.1б, так и с регенерацией тепла отходящих газов, Рис 1.1в и получили

широкое распространение на газопроводах.

Рабочий процесс газотурбинной установки с регенерацией тепла

отходящих газов (Рис. 1.1 в) осуществляется следующим образом: атмосферный

воздух после прохождения системы воздушных фильтров (на схемах они не

показаны), где он очищается от пыли и других примесей, поступает на вход