Пуск ГТУ - ответственная операция, которую надо проводить, соблюдая правила технической эксплуатации и безопасности
Перед пуском ГТУ следует убедиться в исправности ее основного и вспомогательного оборудования, систем регулирования и защиты. Кроме того, необходимо удостовериться, что монтажные, ремонтные работы и техническое обслуживание закончены, посторонние лица около ГТУ и внутри нее отсутствуют. Предварительно должно быть проверено качество топлива и масла. Если оно не удовлетворяет установленным нормам, пуск ГТУ запрещается. Нельзя запускать ГТУ, если неисправна или отключена какая-либо защита или система регулирования, неисправен один из маслонасосов или не работает система их автоматического включения при недопустимом уменьшении давления масла в системе смазки. Пуск ГТУ проводится автоматически. Действиями обслуживающего персонала руководит начальник смены. После капитально-.fo или текущего ремонта пуск ГТУ ведется под руководством начальника цеха или его заместителя. Собственно пуск ГТУ можно разделить на несколько этапов (рис. 145).
На нервом этапе ротор газотурбинной установки раскручивают пусковым двигателем, так как она не может запуститься самостоятельно. Мощность пускового устройства составляет 1-6% от мощности ГТУ. Этому этапу соответствует участок 1 - 2. При частоте вращения 20-35% от номинальной количества воздуха, подаваемого компрессором, достаточно для устойчивого горения топлива в камере сгорания.
Затем в камеру сгорания подается и зажигается топливо, и практически мгновенно температура и давление в ней резко возрастают (точка 3). Расход рабочего газа при этом немного уменьшается. Частота вращения ротора за это время практически не успевает измениться и можно считать, что участок 2 -3 соответствует постоянной частоте вращения. При зажигании топлива система регулирования должна обеспечить такое его количество, чтобы компрессор не попал в помпаж (точка 3 находится правее границы помпажа- -пунктирная линия).
Следующий этап - увеличение частоты вращения ротора. Раскручивать ротор нужно по возможности быстрее, не допуская опять-таки помпажа. Система регулирования должна обеспечивать такой режим раскрутки, при котором гарантируется неко-
Рис. 145. Характерные этапы пуска ГТУ:
1 - запуск пускового двигателя,2 - зажигание топлива в камере сгора-вия, 3 - выход на режим работы вблизи границы помпажа, 4 - выход на режим работы с предельной температурой газа перед турбиной, б - работа при постоянном расходе топлива, равном расходу на холостом ходу, 6 - работа на холостом ходу
торый запас по отношению к границе помпажа (участок 3-4). При пониженных частотах с этой целью через антипомпажный клапан может сбрасываться до 30% воздуха, проходящего через компрессор.
При определенной частоте вращения турбина начинает вырабатывать такую мощность, что далее может вращать ротор ГТУ самостоятельно. Такой режим называют режимом самоходности (расход G c и степень сжатия е с). Пусковое устройство при; этом отключается.
Вследствие сжигания в камере сгорания все большего количества топлива увеличивается частота вращения ротора и растет температура газа перед турбиной, которая, наконец, достигает предельного значения (точка 4). Так как больше увеличивать температуру газа нельзя, система регулирования автоматически ограничивает увеличение расхода топлива, но он продолжает расти, так как нужно увеличивать частоту вращения ротора и, следовательно, вырабатываемую турбиной мощность. Однако система регулирования подает столько топлива, чтобы температура рабочего газа перед турбиной сохранялась постоянной (участок 4 -5).
Наконец, расход топлива становится таким, каким он должен* быть на холостом ходу (точка 5). Для плавного выхода на холостой ход без резкого увеличения частоты вращения (заброса) система регулирования сохраняет расход топлива постоянным (участок 5 -6) до тех пор, пока частота вращения ротора не станет равной его частоте вращения на холостом ходу.
После того как ГТУ начнет устойчиво работать на" холостом ходу, ее можно нагружать, увеличивая расход топлива. Если потребителем мощности является электрический генератор, его следует предварительно включить в сеть. Для этого надо так плавно регулировать частоту вращения ротора ГТУ, чтобы совпали не только частоты эдс на шинах электрического генератора и сети, но и их фазы. Эта процедура называется синхронизацией генератора. В момент совпадения частоты и фазы генератор подключается к сети.
Если не провести синхронизацию, то в момент включения генератора в сеть возникает толчок, поворачивающий ротор генератора по окружности настолько, чтобы фазы тока сети и эдс генератора совпали.
Если в результате отказа при зажигании топлива в камере сгорания или по другим причинам пуск ГТУ не состоялся, нельзя без вентиляции трактов подавать, топливо в камеру сгорания и поджигать его. Это необходимо, чтобы удалить топливо, оставшееся в тракте после неудачного пуска. В ином случае возможно взрывообразное возгорание этого топлива (хлопок).
При нарушении установленной последовательности пусковых операций пуск ГТУ прекращается персоналом или защитами, которые срабатывают при повышении температуры газа выше предельной, недопустимом увеличении нагрузки пускового устройства или снижении частоты вращения ротора после отключения пускового устройства, помпаже и в других случаях, предусмотренных местными инструкциями. Кроме того, персонал должен отключить ГТУ при появлении стуков, скрежета и недопустимом увеличении вибрации.
Пуск ГПА является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. Это связано с тем, что при пуске ГПА одновременно включаются в работу очень большое количество систем как самого агрегата, так и вспомогательных систем КС, от подготовки и правильной настройки которых зависит, насколько надежно этот пуск осуществляется .
В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от перегрева ГТУ. Рост теплового состояния ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГПА близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно для трубопроводов рециркуляции, и вызывает их вибрацию.
Пуск ГПА осуществляется с помощью пусковых устройств. В качестве основных устройств применяются турбодетандеры, работающие в основном за счет давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления.
Схема обвязки пускового устройства и топливного газа показана на рис 6.9
.
Рис. 6.9 Принципиальная схема системы топливного и пускового газа:
ТГ – топливный газ; ПГ – пусковой газ; ВЗК – воздухозаборная камера;
ТД – турбодетандер; ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания;
ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления;
Н – нагнетатель; РЕГ – регенератор; РК – регулирующий кран
Пуск ГПА включает несколько этапов.
Первый этап – подготовительный, когда идет внешний осмотр оборудования для исключения посторонних предметов, проверяется крепление оборудования, подверженного вибрации, проверяется положение кранов: краны 1, 2, 4, 6 – закрыты, кран 5 – открыт, закрыты краны на линиях подачи пускового газа в турбодетандер и топливного газа в камеру сгорания.
Второй этап – путем имитации производится проверка защит и сигнализации ГПА. При этом защиты разделяются на две группы: защита КС и защита ГПА.
Защита КС – это защита цеха от загазованности, пожара, защита по давлению на выходе станции, защита от аварийных ситуаций на трассе, защита по температуре газа при входе в МГП и др.
Защита ГПА
– это защита по давлению масла в маслосистемах (не менее
0,2 кг/см 2), защита по погашению факела в камере сгорания, защита по превышению числа оборотов вала детандера, ТВД, ТНД, защита по температуре подшипников, защита по вибрации и др.
Третий этап – непосредственно пуск ГПА.
Рассмотрим типовой алгоритм запуска стационарного ГПА с полнонапорным нагнетателем. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства, а сам алгоритм протекает следующим образом. После нажатия кнопки "Пуск" включается пусковой насос масло-смазки и насос масло-уплотнения. Открывается кран № 4 и при открытом кране № 5 осуществляется продувка контура нагнетателя, в течение 15-20 с. После закрытия крана № 5 и роста давления в нагнетателе до перепада 0,1 МПа на кране № 1 производятся открытие крана № 1, закрытие крана № 4, открытие агрегатного крана № 6. При этом произошло заполнение контура нагнетателя, и такой пуск называется пуском ГПА с заполненным контуром.
Далее включается валоповоротное устройство, вводится в зацепление шестерня турбодетандера, открывается гидравлический клапан № 13. Затем открывается кран № 11, закрывается кран № 10 и отключается валоповоротное устройство. Агрегат начинает вращаться от турбодетандера.
Первый этап раскрутки заканчивается открытием крана № 12 и закрытием крана № 9.
На втором этапе раскрутка роторов производится совместно с турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора 400÷1000 об/мин включается система зажигания и открывается кран, подающий газ на запальное устройство камеры сгорания. После зажигания через 2-3 с открывается кран № 14 и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. Через 1-3 мин. после набора температуры ~ 150-200 °С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий кран РК на величину 1,5-2 мм и начинается второй этап прогрева, который продолжается ~ 40 с. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия регулирующего крана РК. При достижении оборотов ~ 40÷45 % от номинала турбина выходит на режим. Закрываются краны № 13 и 11, открывается кран № 10. При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора.
На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых маслонасосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата.
При увеличении частоты вращения до величины, равной частоте вращения других нагнетателей цеха, открывается кран № 2 и закрывается агрегатный кран № 6, включается табло "Агрегат в работе".
Пуск агрегата запрещается:
При неисправности любой, хотя бы одной защиты на ГПА;
При не до конца собранных деталях и трубопроводов агрегата;
При повышенном перепаде масла на фильтрах, неудовлетворительном качестве масла, наличии утечек масла смазки и масла уплотнения;
При неустранении дефектов, обнаруженных на ГПА, до вывода в ремонт;
При вынужденной и аварийной остановках до устранения причины, вызвавшей остановку;
При неисправности системы пожаротушения и контроля загазованности, а также при обнаружении промасленных участков газоходов и воздуховодов.
неисправности или отключения какойлибо из защит;
наличия дефектов системы регулирования, которые могут привести к превышению допустимой температуры газов или разгону турбины;
неисправности одного из масляных насосов или системы их автоматического включения;
отклонения от норм качества топлива или масла, а также при температуре или давлении топлива (масла) ниже или выше установленных пределов;
отклонения контрольных показателей теплового или механического состояния ГТУ от допустимого.
Не допускается пуск ГТУ после аварийного останова или сбоя при предыдущем пуске, если причины этих отказов не устранены.
Нельзя пускать и эксплуатировать ГТУ, если неисправны системы, обеспечивающие их жизнеспособность и надежность.
Предупреждение или предотвращение дальнейшего развития аварии при повреждениях отдельных узлов или недопустимых отклонениях параметров работы от нормы осуществляются системой автоматических защит. Важнейшими из них являются защиты от недопустимого повышения частоты вращения, температуры газов перед и за турбинами, от погасания факела и понижения давления смазочного масла. Кроме них обычно имеются защиты от осевого сдвига роторов, недопустимого понижения давления воздуха за компрессором (в случае, например, помпажа), недопустимого понижения давления топлива и др. Очень важным показателем механического состояния ГТУ является уровень вибрации.
Отклонения от нормальной работы фиксируются датчиками систем защиты. Сигналы датчиков по электрическим и (или) гидравлическим каналам передаются на исполнительные органы, срабатывание которых вызывает остановку ГТУ.
Если изменение параметров, по которым работают защиты, происходит медленно, предусматривается обычно предварительная уставка. При ее достижении подается предупредительный сигнал или автоматически осуществляются операции (уменьшение расхода топлива, включение резервного насоса и т.п.), препятствующие нежелательному изменению режима.
Отключение автоматических защит перед пуском или при работе ГТУ недопустимо. Тем более недопустимо отключение защит в тех случаях, когда по показаниям связанных с ними приборов персонал видит, что параметр, по которому производится защита ГТУ, приближается к своему предельно допустимому значению.
Повышение температуры в случаях, например, нарушения устойчивой работы компрессоров происходит столь быстро, что даже тренированный персонал не успевает своевременно остановить ГТУ вручную. Продолжительная (в течение минут) работа ГТУ в режиме помпажа также недопустима, даже если при этом не происходит полного срыва потока, а колебания давления относительно невелики. Возникающие при этом большие знакопеременные нагрузки на лопатках могут резко снижать сроки их службы и даже вызывать (сразу или через некоторое время) поломки. При этом ускоряется также износ упорных подшипников.
Превышение допустимой температуры газов или частоты вращения может привести к наиболее тяжелым повреждениям ГТУ. Опыт эксплуатации ГТУ свидетельствует о необходимости двойной защиты по этим параметрам, одна из которых осуществляется через систему регулирования.
Неисправности системы регулирования могут быть обнаружены непосредственно (заедания или неплотности клапанов, изменения по сравнению с нормальными характерных электрических величин или давления масла и т.д.), а также при работе ГТУ по: изменению пусковых характеристик (времени пуска, связи хода механизма управления с частотой вращения, уровню температуры газов на разных этапах); появлению неустойчивости; колебаниям нагрузки и температуры газов на постоянных режимах и после их изменения; резким колебаниям нагрузки и температуры газов при пусках, нагружении и разгружении.
Обеспечение исправности подшипников и их нормальной смазки является важнейшим условием надежной работы ГТУ. В тех установках, в которых масляные насосы системы смазки расположены отдельно и приводятся во вращение электродвигателями, надежность маслоснабжения подшипников обеспечивается дублированием насосов и наличием системы автоматического включения резервного насоса при отказе основного. Каждый из насосов работает поочередно (например, в течение месяца), а перевод маслоснабжения с одного насоса на другой производится с проверкой АВР. Неисправность одного из масляных насосов или системы АВР создает опасность аварии ГТУ с выплавлением подшипников.
Для обеспечения надежной и экономичной работы ГТУ и требуемых сроков службы их деталей предъявляются определенные требования к топливу. Отклонения от этих требований могут привести к снижению надежности пусков ГТУ (забиванию форсунок и фильтров), ускоренному износу и снижению надежности самого агрегата и его систем (топливоподачи и топливораспределения, форсунок, пламенных труб камер сгорания, лопаточного аппарата турбин и теплообменных аппаратов). Особенно опасны попадание в газотурбинное жидкое топливо остатков мазута при транспортировке и хранении и наличие газового конденсата в газообразном топливе, поступающем к ГТУ.
Повышение температуры жидкого топлива ограничивается по соображениям пожарной безопасности; в нормальных условиях она должна быть на несколько градусов ниже температуры вспышки. Недопустимое понижение температуры топлива и повышение вследствие этого его вязкости могут создать трудности при прокачке, фильтрации и распиливании. В результате возможны забивание филвтров и форсунок, ухудшение процесса горения, ускоренный износ или повреждение элементов камер сгорания и турбины.
Понижение давления топлива перед ГТУ вызывает нарушение регулировки топливораспределения (установленной и необходимой для нормальной работы агрегата связи расходов топлива с положениями органов регулирования и топливораспределения). Пуск агрегата в этих условиях может сопровождаться
недопустимыми отклонениями параметров и закончиться повреждениями ГТУ.
Системы распределения жидкого топлива работают обычно при больших перепадах давлений, поэтому попадание воздуха или продуктов сгорания в топливный тракт практически исключено. При работе на газообразном топливе перепады давлений в газовых насадках горелочных устройств сравнительно невелики. Понижение давления топливного газа может привести к срыву факела в камерах сгорания, попаданию в топливопроводы воздуха или продуктов сгорания и образованию в них взрывоопасных смесей. Чрезмерное повышение давления топлива может привести к нарушению плотности соединений на топливопроводах, течам топлива и создает опасности пожара и взрыва.
Нормы на турбинное масло приведены в главе 5.14 ПТЭ. Свежее и хорошо очищенное масло плохо смешивается с водой. При плохом качестве масла находящиеся в нем капельки воды не успевают отделиться и почти не оседают в маслобаке работающей турбины. Наличие в масле механических примесей (окалины, песка, золы, пыли и частиц металла от изнашиваемых деталей) вызывает ухудшение его смазывающих качеств. Ухудшение качества масла вызывается также окислением, которое происходит при воздействии на него кислорода воздуха или воды, и значительно ускоряется с повышением температуры масла, При температуре до 60°С скорость окисления находится еще в допустимых пределах, но при дальнейшем повышении температуры на каждые 10°С она возрастает в 2 раза. Вследствие окисления понижается температура вспышки и увеличиваются вязкость масла и содержание в нем смолистых веществ. При перегреве масла более легкие фракции улетучиваются. Окисление сопровождается потемнением и помутнением масла, оно приобретает специфический запах горелого нефтяного масла, которого нормальное турбинное масло не должно иметь. Окисленное масло обладает худшими смазывающими свойствами и способствует коррозии металлических поверхностей.
Наличие в масле механических примесей и воды приводит к ускоренному износу подшипников и шеек роторов и может привести к повышению вибрации валопровода и повреждению ГТУ. От температуры масла, поступающего к подшипникам, зависят его смазывающие свойства, а с учетом неизбежного нагрева в подшипниках – также и стабильность при длительной эксплуатации. При пониженной температуре масла изза высокой вязкости создаваемая в подшипниках масляная пленка может быть неустойчивой, В результате возможно возникновение повышенных вибраций и даже повреждение подшипников. Холодное масло перед пуском необходимо разогревать путем прокачки через систему смазки масляным насосом или с помощью специальных подогревателей. Масло, применяемое в системах смазки авиационных двигателей, работающих в составе энергетических ГТУ, при температурах ниже минус 40°С рекомендуется разжижать бензином.
Уровень масла в баках должен находиться в заданных пределах. Перед пуском необходимо убедиться в отсутствии заеданий в штоках поплавковых указателей уровня масла.
Тепловое и механическое состояния установки контролируются прежде всего при работе ГТУ, поэтому до пуска должны быть выяснены и устранены причины неполадок, если работа ГТУ сопровождалась хотя бы одним из перечисленных ниже признаков: повышенной вибрацией или внезапным повышением вибрации (даже если она после этого понизилась и находилась в пределах норм); повышенными температурами баббита или масла на сливе из подшипников; повышенными температурами или неравномерностью температур металла корпусных деталей и газа в турбинах; ненормальными относительными перемещениями роторов и корпусов; пропусками воздуха или газов высокого давления через разъемы ГТУ; течами масла или топлива; большими отклонениями мощности и экономичности ГТУ от нормативных; резким увеличением разности температур в воздухоохладителях; уменьшением запасов устойчивости компрессоров, если они наблюдаются при работе, а также уменьшением продолжительности выбега роторов, помпажем компрессоров, прослушиванием задеваний, металлических звуков или необычных шумов в проточной части при остановах. Точно так же нельзя пускать ГТУ при; наличии повреждений (трещин, обрывов корпусных деталей и трубопроводов, крепежа цилиндра, компенсаторов); неисправной изоляции; ненормальных перемещениях ГТУ при остывании или прослушивании задеваний при вращении роторов валоповоротным устройством или холодных прокрутках пусковым двигателем.
Топливная система. Топливом для судовых ГТУ служат мазут, дизельное топливо и керосин. В период запуска и остановки используется легкое, менее вязкое топливо, устраняющее засорение фильтров и закоксовывание форсунок. Для улучшения процесса сжигания тяжелых сортов топлива (мазута) и устранения образования отложений в газовом тракте турбины к топливу добавляют специальные присадки.
На рис. 118 показана принципиальная схема топливной системы газотурбинной установки. В период запуска пусковой электронасос 17 подает пусковое топливо из цистерны 1 через фильтр грубой очистки 18 к пусковой форсунке 14. По достижении устойчивого горения пусковой форсунки в работу включается главный топливный насос 8 при закрытом кране 6 и открытом кране 9. Главный топливный насос направляет пусковое топливо к топливному агрегату 10 рабочих форсунок 13. Перед поступлением к форсункам топливо проходит сетчатый фильтр 11 и стоп-кран 12. Топливоперекачивающий насос 16 подает пусковое топливо через тиливоподогреватель 15 и сетчатый фильтр 7 к главному топливному насосу.
Одновременно в системе основного топлива идет подогрев мазута до требуемой температуры (порядка 393° К) для уменьшения его вязкости; при этом работает рециркуляционный контур основного топлива: мазут из расходной цистерны 2 , пройдя щелевые фильтры 3 грубой очистки, подкачивающим насосом 4 через подогреватель 5 и кран 6 возвращается обратно в расходную цистерну. Когда мазут достигнет требуемой температуры, кран 6 переводится в положение подвода мазута к рабочим форсункам 13, а кран 9 перекрывается, и пусковое топливо перекачивается обратно в запасную цистерну 1 .
Масляная система. Масляная система судовых ГТУ, как и паротурбинных, может быть циркуляционной или гравитационной напорной. К смазочным маслам судовых ГТУ предъявляются более повышенные требования, чем к маслам паротурбинных установок. Масла не только должны обладать высокими смазочными, противоизносными и противокоррозионными свойствами, но также быть устойчивыми к образованию отложений, иметь высокую температуру вспышки, не ниже 473° К, так как у некоторых ГТУ температура подшипников достигает 423-443° К.
Система охлаждения. Система охлаждения газовых турбин может быть водяной и воздушной.
На рис. 119 показана принципиальная схема воздушно-водяного охлаждения ГТУ судна «Парижская коммуна». Корпус турбины высокого давления 2 охлаждается дистиллированной водой, подаваемой центробежным насосом 5 через спаренный фильтр 6. После охлаждения корпуса ТВД дистиллированная вода через поверхностный водоохладитель 7 возвращается в цистерну 4. Охлаждение дисков турбины низкого давления 1 производится воздухом, который отбирается из промежуточной ступени компрессора 3 , а охлаждение диска турбины высокого давления 2 - воздухом, отбираемым из последней ступени компрессора.
Реверсивные устройства ГТУ. Реверс в ГТУ может быть осуществлен с помощью ТЗХ, винтов регулируемого шага (ВРШ), гидрореверсивных устройств, электропередач и реверсивно-планетарных передач. Однако в трубокомпрессорных ГТУ в связи со значительным конечным давлением газа (около 1 бара), а следовательно ростом потерь мощности на вращение турбин обратного хода и сложностью конструкций переключающего устройства ТЗХ не нашла широкого применения. В ГТУ с СПГГ объемный расход газа и его температура перед турбиной значительно меньше, чем в турбокомпрессорных ГТУ, и это уменьшает размеры переключающих органов. Для осуществления реверса в ГТУ с СПГГ применяют ТЗХ.
Применение ВРШ повышает маневренность судна, упрощает ГТУ и улучшает ее работу на нерасчетных режимах.
Гидрореверсивные устройства и реверсивно-планетарные передачи обладают компактностью, малым весом и хорошими маневренными характеристиками. Этот тип реверсивных устройств для установок большой мощности находится в стадии освоения.
Электропередача, обладая хорошими маневренными качествами, имеет значительные (для судов) весо-габаритные показатели и невысокий к. п. д.
Система управления и защиты . Эта система предназначена: для управления газотурбинной установкой при запуске, маневрах и остановке; для предупреждения аварийных состояний установки и ее защиты при превышении предельной частоты вращения или осевого сдвига роторов установки, падении давления масла и пресной воды в системах смазки и охлаждения ниже допустимых, изменениях рабочей температуры газового потока (повышение температуры, срыв факела в камере сгорания).
Управление ГТУ при запуске осуществляется путем последовательного включения и выключения пусковых устройств, а на рабочих режимах изменением подачи топлива в камеру сгорания, открытием клапанов перепуска газа в выпускной газоход и открытием заслонок противопомпажного устройства компрессора. Управление всеми этими операциями осуществляется дистанционно с пульта управления или с мостика. При выходе из строя автоматического дистанционного управления предусматривается ручное управление. Система защиты снабжается аварийно-предупредительной и информационной сигнализацией, при срабатывании которой зажигаются лампочки и включается звуковой сигнал.
На рис. 120 показана упрощенная схема управления ГТУ с ВРШ. К форсункам камеры сгорания 2 очищенное тяжелое топливо подается топливным насосом 12 через главный регулирующий орган 9, который определяет режим работы установки. Перемещение регулирующего органа 9 осуществляется с поста управления поворотом маховика 5 через кулачок 6 и пружину 4. Постоянный перепад давления масла на регулирующем органе поддерживается регулятором 3, а скорость его перемещения ограничивается регулятором приемистости 11. Подвод пускового дизельного топлива осуществляется регулятором подачи 10. Сервомотор 1 и золотник 13 обеспечивают перекладку лопастей ВРШ. Угол поворота лопастей винта задают поворотом маховика 5 через сельсин-датчик 7 и сельсип-приемпик 14, которые связаны электрически в следящую систему. Аварийный поворот лопастей ВРШ производят ручным приводом 8.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам пуска и газоснабжения газоперекачивающих агрегатов, и может быть использовано при пуске любых газотурбинных установок. Способ пуска энергетической газотурбинной установки включает три этапа. На первом и втором этапах осуществляют раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора внешним пусковым устройством, например детандером, жестко соединенным через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора. Турбокомпрессор содержит компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, закрытым на первом этапе пуска и приоткрытом на втором. Последующее отсоединение от пускового устройства жестко связанных роторов компрессора и турбины при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты на третьем этапе за счет увеличения расхода и давления топливного газа. На выходе осевого компрессора устанавливают сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания. Пуск газотурбинной установки на первом и втором этапах осуществляют при открытом сбросном клапане, а перед отсоединением пускового устройства закрывают сбросный клапан. Изобретение направлено на уменьшение дисбаланса мощности, вызванного провалом частоты вращения ротора турбины и скачком температуры перед ней, в момент отключения пускового устройства при пуске газотурбинной установки. 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и газоснабжения газотурбинных установок (ГТУ) на газообразном топливе.
Пуск ГТУ является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от прогрева ГТУ. Рост температур ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГТУ близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно трубопроводов рециркуляции, что вызывает их вибрацию. В процессе запуска до выхода на режим «малого газа» валопроводы некоторых типов ГТУ проходят через обороты, совпадающие с частотой собственных колебаний, т.е. через резонансные обороты.
Пуск ГТУ осуществляется с помощью пусковых устройств. Для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) применяются турбодетандеры, работающие в основном на перепаде давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления. Турбодетандеры установлены на большинстве стационарных и некоторых авиационных ГПА. Иногда в качестве рабочего тела применяется сжатый воздух.
Кроме турбодетандера широкое применение нашли электростартеры, которые применяются на судовых ГПА. Ряд агрегатов оборудован системой гидравлического запуска. Мощность пусковых устройств составляет 0,3-3,0% мощности ГПА в зависимости от типа ГПА - авиационных или стационарных.
Рассмотрим типовой алгоритм автоматического запуска стационарного ГПА. При пуске ГПА можно выделить три этапа. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства.
На втором этапе раскрутка ротора турбокомпрессора производится совместно турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора, достаточных для зажигания смеси 400-1000 об/мин, включается система зажигания и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. О нормальном зажигании сигнализирует датчик - фотореле. Примерно через 1-2 мин после набора температуры примерно 150-200°С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий клапан на величину около 5% и начинается второй этап прогрева, который продолжается 10 мин. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия газорегулирующего клапана. При достижении оборотов примерно 50% от номинала турбина выходит на режим «самоходности». При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора. В этот момент для исключения провала частоты вращения ротора турбокомпрессора производится резкое открытие топливного регулирующего клапана на 2-3%.
На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых насосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата. (А.Н.Козаченко. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. - М.: Изд-во «Нефть и газ», 1999, с.459).
Недостатки известного технического решения заключаются в скачке температур продуктов сгорания в турбине при завершении второго этапа пуска. Это приводит к существенным температурным напряжениям в узлах турбины, к задеваниям рабочих лопаток об элементы уплотнений радиальных зазоров и, как следствие, к снижению ресурса мощности и экономичности ГТУ.
Известны способы пуска ГТУ со свободной силовой турбиной путем раскрутки ротора турбокомпрессора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (электродвигателей, паровых турбин, пневмостартеров, газотурбинных установок). (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. / Под. ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с.376-377).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ пуска и газоснабжения энергетической установки по патенту РФ №2186224, который включает раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем (первый этап).
После достижения связанными роторами дожимного компрессора и турбокомпрессора пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа, подают топливный газ в камеру сгорания и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через газовую турбину ГТУ, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы. По мере раскрутки связанных роторов при достижении так называемого режима «самоходности» производят отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов (второй этап), а степень открытия регулирующего клапана топливного газа увеличивают, что повышает обороты роторов турбокомпрессора. Дальнейший вывод на рабочие обороты достигается за счет увеличения расхода и давления топливного газа (третий этап).
Этому техническому решению также присущи описанные выше недостатки, связанные со скачком температур при отсоединении пускового устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа пуска газотурбинной установки, позволяющего уменьшить дисбаланс мощности при отключении пускового устройства не за счет увеличения расхода топлива при пуске ГТУ. Этот дисбаланс мощности проявляется в провале частоты вращения вала турбины с одновременным значительным скачком температуры перед ней.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее внешнее пусковое устройство (турбодетандер), жестко соединенный через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора, включающего компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, который на первом этапе пуска закрыт, а на втором - приоткрывается, с увеличением степени его открытия на третьем этапе пуска, внесены изменения, позволяющие изменить алгоритм пуска ГТУ, а именно;
На выходе осевого компрессора устанавливается сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания:
Пуск ГТУ на первом и втором этапах осуществляется при открытом сбросном клапане;
При достижении режима «самоходности» перед отключением детандера сбросный клапан закрывают.
В результате появляющегося при этом дополнительного расхода воздуха через турбину уменьшается дисбаланс мощности, возникающий при отключении детандера, при этом увеличение расхода воздуха через камеру сгорания при подрыве топливного регулирующего клапана (ТРК) приводит к существенному снижению скачка температуры перед турбодвигателем.
На фиг.1 показана схема, реализующая предлагаемый способ пуска ГТУ, а на фиг.2 приведен график пуска ГТУ по прототипу и по предлагаемому изобретению.
Основными элементами схемы являются: 1 - внешний пусковой двигатель (детандер); 2 - расцепная муфта; 3 - осевой компрессор; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - приводная газовая турбина; 6 - сбросный клапан; 7 - камера сгорания; 8 - силовая газовая турбина; 9 - нагрузка; 10 - система автоматического управлений (САУ).
Предлагаемый способ пуска ГТУ осуществляется автоматически по командам САУ следующим образом. Внешним пусковым двигателем 1 раскручивают через расцепную муфту 2 жестко связанные валы осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5. Регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыт, а сбросный клапан 6 открыт.Воздух, проходя через камеру сгорания 7, поступает в приводную турбину, раскручивая вышеупомянутые связные валы за счет расширения газа. При достижении связанными роторами пусковых оборотов приоткрывают топливно-регулирующий клапан 4, а при достижении режима «самоходности» сбросной клапан закрывают, при этом расцепной муфтой 2 автоматически отсоединяется ротор пускового двигателя 1 от связанных роторов осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5, а степень открытия топливно-регулирующего клапана увеличивают.
Рассмотренный способ пуска может быть применен для любой ГТУ, где используется пусковой турбодетандер.
На фиг.2 показаны пусковые характеристики газотурбинной установки ГТК-10 при алгоритме пуска по прототипу (известному) и по предлагаемому алгоритму.
Из анализа графиков на фиг.2 можно сделать вывод о том, что после отключения пускового турбодетандера (при частоте вращения 2600-2800 об/ мин - режим «самоходности») провал частоты вращения ротора турбокомпрессора уменьшился с 300 об/мин до 50 об/мин, т.е. в 6 раз, а скачок температуры продуктов сгорания при этом снизился на 50°С, т.е. в два раза.
Таким образом, предлагаемый алгоритм пуска ГТУ позволяет значительно уменьшить провалы частоты вращения вала турбокомпрессора и скачок температуры продуктов сгорания в турбине, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение ресурса ГТУ и снижение расхода топлива.
Внедрение предлагаемого алгоритма пуска ГТУ было осуществлено в июле 2007 г. на газоперекачивающем агрегате (ГПА) ГТНР-16 и планируется к внедрению на ГПА ГТК-10.
Способ пуска энергетической газотурбинной установки, включающий три этапа, причем на первом и втором этапах осуществляют раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора внешним пусковым устройством, например, детандером, жестко соединенным через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора, включающего компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, закрытым на первом этапе пуска и приоткрытом на втором, отсоединение от пускового устройства жестко связанных роторов компрессора и турбины при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты на третьем этапе за счет увеличения расхода и давления топливного газа, отличающийся тем, что на выходе осевого компрессора устанавливают сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания, причем пуск газотурбинной установки на первом и втором этапах осуществляют при открытом сбросном клапане, а перед отсоединением пускового устройства закрывают сбросный клапан.