Реферат: Научно-технический прогресс газотурбинных установок магистральных газопроводов

-        промежуточное охлаждение в процессе сжатия,

-        утилизация тепла выхлопных газов,

-        увлажнение циклового воздуха и др.

Утилизация отводимого из цикла тепла может быть реализована различными способами:

-        подогревом выхлопными газами циклового воздуха перед камерой сгорания (регенеративный цикл);

- производством перегретого пара высокого давления и впрыском его в камеру сгорания и турбину ГТД (цикл STIG) или срабатыванием пара в отдельной паровой турбине (комбинированный парогазовый цикл);

- использованием тепла выхлопных газов для повышения теплотворной способности топлива (химическая регенерация);

- утилизацией тепла выхлопных газов в дополнительном утилизационном цикле (воздушном или с использованием низкокипящей жидкости).

Для значительного улучшения характеристик ГТД перечисленные процессы и способы утилизации тепла могут применяться в различных сочетаниях.

Поскольку в наземных и морских ГТД нет характерных для авиадвигателей жестких ограничений по габаритам и массе, то для таких ГТУ сложные циклы используются чаще. В авиационных ГТД для повышения тяги широко применяется цикл с промежуточным подогревом в процессе расширения (цикл ТРДФ и ТРДДФ). Дополнительный теплоподвод после расширения газа в турбине осуществляется в форсажной камере (ФК), где рабочее тело подогревается до температуры Т*ф = 2000…2200 К (при αΣ = 1,1…1,2). Промежуточный подогрев значительно повышает работу цикла и, соответственно, скорость истечения газов из сопла, удельную тягу двигателя (в 1,5.. .2 раза).

Однако КПД цикла существенно снижается из-за подвода дополнительного тепла при более низком давлении. Удельный же расход топлива двигателя значительно увеличивается как вследствие ухудшения КПД цикла, так и из-за снижения полетного КПД (увеличения скорости истечения). Из-за низкой экономичности форсажный режим обычно используется в критических условиях эксплуатации - на взлете (для сокращения длины ВПП), для ускоренного разгона самолета, для преодоления звукового барьера и т.д. Применения форсажа в сверхзвуковом крейсерском полете обычно стремятся избежать из-за значительного снижения дальности полета.

В 1940-1960-х гг. были созданы опытные образцы ТВД с регенератором. Этим применение регенеративного цикла в авиационных ГТД ограничилось и не получило дальнейшего развития по причине значительного веса и габаритов теплообменника и его низкой надежности. Однако в настоящее время вновь проявляется интерес к применению регенерации тепла. Так, в рамках европейской программы CLEAN прорабатываются перспективные ТВД и ТРДД с рекуператором (в ТРДД - в сочетании с промежуточным охлаждением).

В наземных ГТД регенеративный цикл применяется достаточно широко. Утилизация тепла осуществляется в теплообменниках-рекуператорах и позволяет повысить КПД цикла на 20...30% (относительных). При этом удельная работа несколько снижается из-за гидравлических потерь в рекуператоре. Очевидно, что регенерация тепла возможна, если температура выхлопных газов существенно выше температуры воздуха за компрессором, т.е. при небольшой степени сжатия π*к = 4…10.

В настоящее время регенеративный цикл используется в ГТД небольшой размерности (мощностью до 16 МВт) и в микротурбинах, для которых применение высокой степени сжатия ограничивается малой размерностью лопаточных машин.

Энергетические наземные ГТД широко используются в составе ПГУ в комбинированном парогазовом цикле, который является комбинацией простого газотурбинного цикла и парового цикла Ренкина. В ПГУ тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства перегретого пара и выработки дополнительной мощности в конденсационной паровой турбине. Увеличение мощности и КПД установки составляет 50 %.

Уровень КПД современных ПГУ, базирующихся на ГТД с высокими параметрами цикла

Т*СА = 1600…1700 К, π*к = 16...23) достигает 58. ..60 %.

Достаточно часто в энергетических ГТД используется также цикл с впрыском пара в камеру сгорания и турбину (цикл STIG). В отличие от ПГУ в этом случае нет необходимости в паровой турбине, поэтому установки с впрыском пара значительно проще и дешевле. Однако и прирост мощности и КПД в таких установках меньше, чем в ПГУ. Очевидным недостатком цикла является потеря большого количества специально подготовленной воды (парогазовая смесь после расширения в турбине и охлаждения в котле выбрасывается в атмосферу).

Цикл с промежуточным подогревом в наземных ГТД имеет ограниченное применение из-за отрицательного влияния на эффективный КПД. Такой цикл в настоящее время используется только в энергетических ГТД GT24 и GT26 фирмы Alstom. Эти ГТД предназначены для работы в составе ПГУ и имеют мощность 180 и 260 МВт. В ГТД имеется вторая камера сгорания, расположенная после первой ступени пятиступенчатой турбины. Для компенсации снижения КПД цикла в GT24 и GT26 применена повышенная степень сжатия π*к = 30…32.

В наземных ГТД используются также циклы:

-        с промежуточным охлаждением;

-        с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом;

-        с промежуточным охлаждением и регенерацией;

-        с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регенерацией;

-        с впрыском пара в камеру сгорания с последующим его извлечением на выхлопе при помощи контактного конденсатора;

-        циклы с увлажнением воздуха и др.

Однако реализующие перечисленные циклы установки не нашли пока широкого применения и являются либо опытными образцами, либо выпущены небольшой серией.

В рамках зарубежных программ развития энергетики прорабатываются перспективные установки, объединяющие ГТД сложных циклов с различными технологическими процессами. Но они, по сути, уже не являются ГТД в классическом его понимании, а представляют собой сложные технологические системы по совместному производству различных видов энергии (электрической, механической, тепловой, холода) и химических продуктов, экологически чистые и безотходные.

7. Основные параметры наземных и морских приводных ГТД

В отличие от авиационных двигателей в наземных и морских ГТД полезная энергия полностью срабатывается на турбине и передаётся потребителю в виде механической работы. По способу использования свободной энергии наиболее близким авиационным аналогом для наземных и морских ГТД является вертолетный ГТД.

К основным параметрам наземных и морских ГТД относятся эффективная мощность и эффективный КПД на выходном валу. Также важными параметрами являются расход воздуха, расход и температура газов, располагаемая тепловая мощность на выходе, расход топлива. Эти параметры используются при проектировании ГТУ и объектов применения ГТД.

Масса и габариты для наземных и морских ГТД имеют второстепенное значение. Исключение составляют транспортные ГТД, в том числе и морские, используемые для привода судовых движителей. Для транспортных двигателей габариты (объем) имеют важное значение, поскольку пространство для их размещения на объектах применения зачастую ограничено.

Параметры ГТД обычно даются в стандартных условиях ISO 2314:

-        температура атмосферного воздуха +15 °С;

-        давление атмосферного воздуха 760 мм рт. ст.;

- относительная влажность воздуха 60%;

- без учета потерь давления во всасывающем и выхлопном устройствах объекта применения ГТД;

- с учетом потерь на входе и выходе собственно ГТД – во входном корпусе компрессора и выходном тракте ГТД за турбиной, включающем стойки задней опоры, диффузор и улитку.

Мощность наземных и морских ГТД изменяется в широких пределах – от десятков киловатт в микротурбинах до сотен мегаватт в крупных стационарных энергетических ГТД. К настоящему времени создано множество моделей ГТД, достаточно равномерно заполняющих мощностной ряд от 30 кВт до 350 МВт.

Мощностной ряд ГТД можно условно разделить на четыре класса:

- микротурбины – имеют мощность от 30 кВт до 250 кВт, применяются обычно в составе автономных энергоагрегатов для выработки электроэнергии или совместного производства электрической, тепловой энергии и в ряде случаев для производства холода;

- ГТД малой мощности – от 250 кВт до 10 МВт, для механического и морского привода, привода электрогенераторов в составе ГТЭС простого цикла и в когенерационных установках для совместного производства электрической и тепловой энергии;

- ГТД средней мощности - от 10МВт до 60 МВт для механического и морского привода, в составе ГТЭС простого и комбинированного парогазового цикла и в когенерационных установках;

- ГТД большой мощности – от 60 до 350 МВт, используются в составе ГТЭС комбинированного парогазового цикла и в когенерационных установках; значительно реже – в простом цикле.

Важнейшими удельными параметрами, определяющими степень технического совершенства наземных и морских ГТД, являются удельная мощность и эффективный КПД на выходном валу.

Удельная мощность (аналогично ТВД и вертолетным ГТД) представляет собой мощность, приходящуюся на единицу (1 кг/с) расхода воздуха Gв , и численно равна удельной работе цикла (кДж/кг), кВт/кг/с.

Nуд = Nе / Gв.

Современные наземные и морские ГТД постоянно развиваются в сторону повышения удельной мощности за счет увеличения температуры газа перед турбиной, совершенствования аэродинамики лопаточных машин и систем охлаждения. В настоящее время особенно значителен прогресс в повышении параметров мощных одновальных энергетических ГТД. Это объясняется интенсивным заимствованием авиационных технологий в области трехмерной аэродинамики, применением многослойных теплозащитных покрытий (ТЗП) и эффективных систем охлаждения турбины, использованием теплообменников для снижения температуры охлаждающего воздуха и водяного пара в качестве охладителя.

Удельная мощность новейших серийных энергетических ГТД достигает 400...450 кВт/кг/с при освоенной температуре газа перед турбиной Т*СА = 1700 К (при работе в базовом режиме с межремонтным ресурсом 25 000 часов). Разрабатываются опытные модели энергетических ГТД с температурой газа перед турбиной Т*СА = 1783 К.

Удельная мощность ГТД малой и средней мощности достигает значений 300…350 кВт/кг/с при максимальной температуре газа на номинальном режиме Т*СА = 1500…1600 К.

Важнейшим удельным параметром наземных и морских ГТД является эффективный КПД ηе . Он характеризует топливную эффективность и представляет собой отношение эффективной мощности на валу Ne к мощности, подведённой с топливом Nтопл , кВт:

Nтопл = Gт часНu/3600, ηе = Ne / Nтопл = ,

где Gт час – часовой расход топлива ГТД, кг/ч; Нu – низшая теплота сгорания, кДж/кг.

Повышение эффективного КПД – важнейшее направление развития ГТД – достигается повышением параметров цикла Т*СА и π*к в оптимальном соотношении, а также уменьшением внутрицикловых потерь за счет совершенствования аэродинамики лопаточных машин, систем охлаждения и снижения потерь по тракту ГТД.

Эффективный КПД зависит также и от класса мощности – у ГТД меньшего класса мощности КПД, как правило, ниже (рис. 23). Эта зависимость проявляется через фактор размерности. В ГТД меньшей мощности более умеренные параметры цикла, так как сложнее получить высокий КПД на малоразмерных лопаточных машинах. Параметры цикла, кроме этого, влияют и на удельную стоимость ГТД. Эффективный КПД современных ГТД простого цикла составляет ηе = 0,18…0,43.

Удельная стоимость ГТД - экономический параметр, характеризующий стоимость 1 кВт установленной мощности ГТД в определенной стандартной комплектации. Например, если ГТД применяется для механического привода, в состав оборудования входят: система запуска, управления, противообледенительная и противопожарная, входное и выходное устройства, редуктор и некоторые другие. С ростом мощности ГТД существенно снижается его удельная стоимость. Так, например, удельная стоимость ГТД для механического привода составляет от 400…450 $/кВт (для ГТД класса мощности 1 МВт) до 170…180 $/кВт (для ГТД мощностью 30…40 МВт).

8. Особенности требований к приводным ГТД для ГПА

Энергетика и механический привод являются важнейшими областями применения наземных ГТД: в суммарном объеме мирового производства наземных и морских ГТД энергетические ГТД составляют около 91%, приводные ГТД – около 5% (по стоимости). В России основной потребитель ГТД - газотранспортные подразделения ОАО "Газпром", однако и в энергетике в последнее время наблюдается быстрый рост спроса на газотурбинные приводы.

8.1 Требования к характеристикам ГТД

Основными характеристиками ГТД, определяющими его размерность и техническое совершенство, являются номинальная мощность на выходном валу (Ne ном) и эффективный КПД (ηе) на режиме номинальной мощности.

Ne ном - это максимальная длительная мощность в определенных стандартных условиях (см. ниже), при которой обеспечиваются заявленные показатели ресурса, надежности и экономичности. ηе и Ne ном определяются для двух условий: условий по ISO 2314 и станционных условий.

Рис. 23. Зависимость эффективного КПД (ηе) наземных ГТД от мощности

Условия ISO 2314 (ГОСТ 20440-75):

1)  параметры воздуха на входе (в плоскости входного патрубка компрессора): полное давление 0,1013 МПа, полная температура +15 °С, относительная влажность 60%;

2)  параметры на выхлопе (в плоскости выхлопного патрубка турбины или на выходе из регенератора, если используется регенеративный цикл): статическое давление 0,1013 МПА;

3)  сопротивление входного и выхлопного трактов ГПА не учитывается.

Параметры ГТД в условиях ISO используются для определения технического уровня двигателя и сравнения его с ближайшими аналогами.

Станционные условия отличаются от условий ISO учетом потерь полного давления во входном и выхлопном устройствах ГПА, которые обычно не превышают 1000 Па. Номинальная мощность должна обеспечиваться до температуры атмосферного воздуха +25°С (это требование может быть изменено для конкретного двигателя). Максимальная мощность ГТД – это предельная рабочая мощность, развиваемая при больших отрицательных температурах атмосферного воздуха. Максимальная мощность должна быть до 20% выше номинальной. Номинальный КПД проектируемых ГТД должен соответствовать современному техническому уровню или быть выше. КПД современных серийных ГТД для различных классов мощности приведены в табл. 4

Таблица 4

Примечание: показатели относятся к серийной товарной продукции мирового рынка простого и регенеративного цикла и не относятся к установкам сложных и комбинированных циклов. Перспективные разработки и прототипы могут иметь КПД на 1,5. ..2% (абсолютных) выше.

Нагрузочная характеристика двигателя ГПА (зависимость мощности от частоты вращения силовой турбины при постоянном режиме газогенератора) должна быть пологой - не более 5 % снижения мощности при частоте вращения СТ 70 % от номинальной.

Минимальная мощность, при которой допускается длительная эксплуатация ГТД, может составлять до 50 % от номинальной мощности.

Конструкция ГТД должна допускать возможность отбора сжатого воздуха из-за компрессора на станционные нужды и в противообледенительную систему. При этом соответственно снижаются мощность и КПД.

Двигатели ГПА работают на земле, в условиях запыленности, поэтому в процессе эксплуатации мощность снижается из-за загрязнения газовоздушного тракта двигателя (в основном, проточной части компрессора). Для восстановления мощности выполняют промывку газовоздушного тракта. При промывке на вход в двигатель при помощи промывочных устройств подаются специальные моющие растворы. Промывку выполняют на рабочем режиме или на режиме холодной прокрутки. Отличие промывки на рабочих режимах от промывки на холодной прокрутке заключается в расходах промывочной жидкости - на холодной прокрутке подается значительно больше моющей жидкости.

Рекомендуемая периодичность промывки:

- на рабочем режиме - через 300…1000 часов работы;

- на режиме холодной прокрутки - через 3000…5000 часов работы.

Промывки могут производиться и чаще в случае значительного снижения мощности ГТД при сильной загрязненности воздуха.

8.2 Требования к ресурсам и надежности

Класс использования ГТД для ГПА, как правило, базовый:

- время работы свыше 6000 ч/год;

- число пусков не менее 20 в год;

- время непрерывной работы – более 300 ч/пуск;

Срок службы ГТД – не менее 20 лет.

Ресурсы:

- назначенный – не менее 100000 ч;

- межремонтный – 20000…25000 ч.

Назначенный ресурс газогенератора ГТД, конвертированного из авиадвигателя, должен быть не менее 50000 час.

Надежность ГТД для ГПА определяется следующими основными показателями:

а) наработка на отказ по причинам, связанным с двигателем, ч:

Тотказ = Тр / Чотказ ,

где Тр – суммарное время работы парка двигателей, ч;

Чотказ – количество отказов.

Нормируемое значение Тотказ ≥ 3500 ч.

б) коэффициент надежности пусков

Кнп = П / Побщ ,

где П - количество удавшихся пусков;

Побщ - общее количество пусков с учетом неудавшихся.

Нормируемое значение Кнп ≥ 0,95.

в) коэффициент готовности

Кг = Тр /(Тр + Тпрост),

где Тр – суммарное время работы парка двигателей, ч;

Тпрост - суммарное время вынужденных простоев, связанное с устранением отказов, ч.

Нормируемое значение Кг ≥ 0,98.

г) коэффициент технического использования:

Кти = Тр /(Тр + Твосст + Ттор),

где Тр – суммарное время работы парка двигателей, ч;

Твосст – суммарное время восстановления, связанное с устранением отказов, ч;

Ттор – время простоев на плановое техническое обслуживание и ремонт, запланированный на время простоев, ч.

Нормируемое значение Кти ≥ 0,9.

Фактически показатели надежности оцениваются по результатам эксплуатации и должны быть подтверждены по истечении пяти лет эксплуатации двигателей.

8.3 Требования к габаритам и весовым характеристикам

В отличие от авиационных к ГТД наземного применения предъявляются менее жесткие требования по габаритам и массе.

Основными ограничениями являются габариты контейнеров для транспортировки и хранения двигателей. ГТД должны транспортироваться обычными транспортными средствами с применением распространенных грузоподъемных механизмов. При проектировании промышленных двигателей для ГПА нет необходимости вводить в конструкцию элементы, снижающие массу деталей: выборки, проточки, отверстия и т.п. Также не следует применять без особой необходимости дорогостоящие легкие сплавы (титановые, алюминиевые, магниевые) и высоколегированные стали.

8.4 Используемые ГСМ

В качестве топлива для ГТД ГПА в основном используется природный газ, отбираемый из транспортных газопроводов. Состав и характеристики топливного газа регламентируются отраслевым стандартом. При проектировании ГТД, особенно деталей камеры сгорания, лопаток и дисков турбины, следует учитывать, что в состав природного газа входят сероводород и меркаптановая сера. Эти компоненты газа при высоких температурах вызывают оксидно-сернистую коррозию деталей. Повышенным содержанием сероводорода отличается природный газ, откачиваемый из подземных хранилищ газа. В некоторых случаях в качестве топлива могут использоваться попутные нефтяные газы.

Транспортируемый газ, используемый в качестве топлива, проходит на компрессорных станциях через специальные блоки подготовки. В этих блоках газ доводится до требований стандарта по чистоте, содержанию влаги и температуре.

Во многих случаях транспортируемый природный газ используется и в качестве рабочего тела для турбостартеров двигателя - так называемый пусковой газ. Пусковой газ также подается к стартеру двигателя из блоков подготовки газа компрессорной станции.

В системах смазки ГТД для ГПА используются минеральные масла типа МС-8П, в некоторых двигателях используется масло турбинное типа ТП-22е. В высокотемпературных ГТД, конвертированных из авиадвигателей, применяются синтетические масла при условии минимизации потерь масла.

8.5 Требования экологии и безопасности

Существуют допустимые нормы содержания окислов азота и углерода в выхлопных газах приводных ГТД ГПА.

Содержание окислов азота (в сухих продуктах сгорания при температуре 0,1013 МПА и условной концентрации кислорода 15 %):

- для вновь проектируемых ГТД - не более 50 мг/нм3;

- для модернизируемых ГТД – не более 150 мг/нм3.

Содержание оксидов углерода – не более 100 мг/нм3.

Компрессорные станции магистральных газопроводов являются объектами повышенной пожаровзрывоопасности. Поэтому к ГТД для ГПА предъявляются особые требования по обеспечению безопасности работы. Конструкция двигателя в целом, его составных частей, агрегатов, трубной и электрической обвязки должны гарантированно исключать искрообразование, утечку топливного газа, нелокализованные разрушения роторов.

В конструкции должны применяться датчики и агрегаты взрывобезопасного исполнения, корпуса компрессоров, турбин следует проектировать более прочными. Двигатели необходимо оборудовать системой автоматической защиты от раскрутки роторов, а в случае ее отказа разрушение лопаток должно предшествовать разрушению дисков.

В отличие от авиационных двигателей ГТД для ГПА устанавливаются в специальных укрытиях. закрываются шумотеплоизолирующими кожухами. Кроме того, в составе самих ГПА предусмотрены шумоглушащие устройства во входной шахте и в системе выхлопа. Поэтому в конструкции собственно двигателя не предусматриваются какие-либо устройства для снижения уровня шума.

Заключение

Газотурбинные двигатели за шестьдесят лет своего развития стали основным типом двигателей в современной авиации. На основе авиационных ГТД созданы двигатели для наземной и морской техники: мобильных электростанций, газокомпрессорных станций, наземных и морских транспортных средств. Газотурбинные двигатели - классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и нагрузок. Вместе с тем эти двигатели - образец высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами. В связи с этим изучение газотурбинных двигателей, как одного из наиболее совершенных достижений инженерной мысли, выходит за рамки утилитарной задачи подготовки инженеров-двигателистов. Анализ существующего состояния трубопроводного транспорта природных газов и оценка перспектив его дальнейшего развития показывают, что газотурбинный вид привода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях как в настоящее время, так и на ближайшую перспективу остается одним из основных видов энергопривода компрессорных станций.

Список использованной литературы

1. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 1. -208 с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 2. -366 с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

3. 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.