Работа газовых турбин при частичных нагрузках

В зависимости от схемы ГТУ в них применяют одну, две или три газовые турбины,' которые могут быть включены последова­тельно или параллельно и установлены на одном или на разных валах. Камеры сгорания располагают перед каждой газовой тур­биной или только перед первой.

Относительный расход газа через турбину при частичных на­грузках можно рассчитать по формуле

>²-1 \1,2

где бо и б— степени расширения газа в турбине при расчетном режиме и режиме частичной нагрузки.

Эта формула справедлива для турбин, которые имеют более трех ступеней' и значительную степень реактивности.

Изменение кпд турбины при частичных нагрузках прежде все­го зависит от режима работы ее средней ступени. Кпд любой сту­пени существенно зависит от величины х_а=и1с_а. Если эту величи­ну на расчетном режиме обозначить через х_ол, отношение Ua/*oa)cp для средней ступени будет зависеть от относительной частоты вращения и относительного располагаемого тепло перепада на турбину:

/ха\ ₌ _я_ /Я»,_ту.»

■\*оа/ср Я_о \//_Ог I

С1

( Ч\² / ^Si² ~ ' ) Те* Т_с19 I 5»₈₀ - 1. Л /8²₁₀ \«.

Я.

т~Т~а

Промежуточный подогрев газа позволяет перераспределять мощности, вырабатываемые турбинами высокого и низкого дав­ления, регулируя температуру Т_с2 изменением подачи топлива в камеру сгорания.

Рис. 124. Изменение ре­жима работы ГТУ при переменной частоте вра­щения ротора

.1 2

Y

3 1

«V,

-1

С)

I)

Рис." 125. Варианты компоновки агрегатовдвухвальной ГТУ:

а, 6 — с последовательно работающими турбинами, в — с параллельно работающими, турби­нами; / — компрессор, 2, 3 — турбины высокого и низкого давления, 4 — камера сгорания, 5 — регенератор, 6 — турбина привода компрессора, 7 — силовая турбина

Рассмотрим особенности работы двухвальной ГТУ, состоящей из одного компрессора, двух турбин и одной камеры сгорания при трех возможных схемах их компоновки (рис. 125, а—б). После компрессора воздух попадает в регенератор, а затем — в камеру

сгорания. Компрессор расположен на свободном валу, к которому не подсоединен потребитель мощности. Для привода компрессора и потребителя мощности используются разные турбины.

При первом варианте компоновки (рис. 125, а) компрессор вращает турбина высокого давления, при втором (рис. 125, б) — турбина низкого давления, а при третьем (рис. 125, в) —обе тур­бины работают параллельно, причем одна служит для привода компрессора, а вторая — потребителя мощности.

В первом случае (рис. 125, а) компрессор потребляет мощность турбины высокого давления. При переменном режиме ее мощность изменяется меньше, чем мощность турбины низкого давления, ко­торая несет полезную нагрузку. Следовательно, расход воздуха, который выдает компрессор, будет изменяться незначительно и в основном изменение полезной мощности будет происходить в_ ре­зультате уменьшения теплоперепада в турбине низкого давления.

Во втором случае (рис. 125, б) даже относительно небольшое изменение полезной мощности вызовет существенное изменение расхода воздуха, так как турбина высокого давления вырабаты­вает полезную мощность, а турбина низкого давления приводит в действие компрессор. Следовательно, изменение полезной мощно­сти будет происходить в основном в результате изменения расхода рабочего тела.

Сопоставление первого и второго, вариантов компоновки агре­гатов показывает, что регулирование мощности ГТУ при втором варианте ближе к количественному способу, а следовательно, ее кпд на частичных нагрузках должен быть больше. Этот вывод подтверждается расчетами и экспериментами.

Однако в основном распространение получил первый вариант компоновки агрегатов, так как при втором варианте ГТУ имеют ограниченный диапазон изменения мощности. Это происходит вследствие того, что при снижении полезной, нагрузки резко умень­шается расход воздуха через компрессор и он при полезной на­грузке, немного меньшей, чем половина номинальной, попадает в помпаж; Чтобы ГТУ работала при меньшей мощности, необходимо открыть противопомпажные клапаны, что резко снижает ее кпд.

Третий вариант компоновки агрегатов ГТУ (рис. 125, в) близок по схеме к одновальной ГТУ, работающей с переменной частотой вращения. Однако он не получил распространения из-за того, что обе турбины срабатывают полный теплоперепад и число ступеней в каждой из них равно сумме ступеней турбин высокого и низкого давления при первом варианте компоновки, а следовательно, из­готовление их обходится дороже. При этом турбина, служащая для привода потребителя мощности, вырабатывает примерно треть мощности и потребляет около трети расхода рабочего тела, в ре­зультате чего ее лопатки должны быть короткими, что уменьшает кпд.

Для получения высокого кпд ГТУ в широком диапазоне изме­нения полезной мощности применяют трехвальные ГТУ (рис. 126), турбины 4, 3 и 2 которых последовательно соединены газовым

трактом. Эти турбины механически не связаны между собой, ра­ботают при разных изменяющихся частотах вращения и имеют общую камеру сгорания 9 и один регенератор 8 перед ней. Компрес­сорная группа состоит из трех последовательно соединенных воздушным трактом и также механически не связанных между собой компрессоров 1, 6, 5. Компрессор 1-й турбина 2 низкого давления образуют один компрессорный вал, а компрессор 5 и турбина 4 высокого давления — второй; на третьем валу располо­жены компрессор 6 и турбина 3 среднего давления, а также по­требитель полезной мощности.

Объединение турбин и компрессоров в такие группы обеспечи-

Рис 126. Схема трехвальной ГТУ:

/, 5, 6 — компрессоры низкого, высокого и среднего дав­ления, 2. 3, 4— турбины низкого, среднего и высокого давления, 7 — охладитель, в — регенератор, 9 — камера сгорания

вает устойчивый кпд и широкий диапазон регулирования нагру­зок. При изменении нагрузки мощность турбины низкого давления изменяется наиболее сильно, что позволяет в достаточно широких пределах изменять расход воздуха в результате изменения режи­ма работы компрессора низкого давления. Вместе с тем компрес­сор высокого давления работает при гораздо меньшем изменении частоты вращения, так как приводом ему служит турбина высо­кого давления, режим работы которой изменяется меньше, чем двух других турбин.

% 42. Характеристики потребителей мощности ГТУ

Стационарные ГТУ, как уже отмечалось, наиболее широко ис­пользуются для привода электрических генераторов и нагнетате­лей природного газа. Чтобы определить режимы работы ГТУ при различных нагрузках,. необходимо знать зависимость мощности,Потребляемой генератором или нагнетателем природного газа, от_ч Частоты вращения их роторов. Такую зависимость называют ха­рактеристикой потребителя мощности.При пуске ГТУ электрический генератор переменного тока от­ключен от сети. Чтобы подключить электрический генератор к се­ти, необходимо вращать его ротор с такой частотой, при которой частота и фаза эдс, вырабатываемой генератором, совпадали бы

с частотой и фазой напряжения электрической сети. Иначе в момент подключения генератора возникает большой ударный крутящий мо­мент, воздействующий на его ротор, а через соединительную муфту — на ротор турбины или компрес­сора.

Мощность, потребляемая генератором на холостом ходу (до под-

частоты^Ив?ащения°$о- ключения к сети), очень мала и тора электрического генератора расходуется на преодоление трения от мощности в подшипниках и ротора о газообразную среду, а также на привод вентиляторов, обеспечивающих охлаждение генератора, и др.

После подключения к сети частота вращения ротора генерато­ра совпадает с частотой сети и не зависит от мощности, вырабаты­ваемой генератором. Так как частота электрического тока в сети изменяется очень мало, можно считать, что электрический -гене-

Рис. 143. Распределение давления в магистраль­ном газопроводе:

/ — нагнетатели, 2 — участки магистрального газопрово­да; р_к — давление за нагнетателем в начале последую­щего участка газопровода; р_н — давление перед нагне­тателей в начале предыдущего участка газопровода, I — расстояние вдоль газопровода

ратор практически работает с постоянной частотой вращения ро­тора п. Если обозначить частоту вращения ротора при номиналь­ном режиме работы генератора через л₀, то его характеристика (рис. 142) может быть представлена следующей зависимостью:

п/п₀ =1.

Нагнетатели природного газа располагают на магистральных газопроводах примерно на равном расстоянии друг от друга. Что-

л=const