Poglavlje 11 Karakteristike pokretanja gasnoturbinske jedinice
Statički pretvarač frekvencije (SFC)
Opće informacije
Statički pretvarač frekvencije (SFC) se koristi za okretanje osovine gasne turbine tako što dovodi generator promjenjive frekvencije, smanjenog napona i smanjene snage pobude.
Procedura pokretanja plinske turbine je potpuno automatska. Generator se koristi u "motornom" režimu i tokom startnog ciklusa ubrzava osovinu do određenog procenta od nazivne brzine.
Kada se postigne ovaj određeni postotak nazivne brzine, CFC se isključuje i plinska turbina tada sama ubrzava do 100% nazivne brzine.
Pri 100% nazivne brzine, generator proizvodi nazivni napon i spreman je da izvrši sekvencu sinhronizacije sa elektroenergetskim sistemom.
Osim funkcije pokretanja, VHF se također koristi za ubrzanje jedinice do određene brzine tokom ciklusa ispiranja.
Oprema za pokretanje sistema
Oprema sistema za pokretanje nalazi se u kućištu, koje se obično nalazi u blizini odjeljka generatora. Kućište je pogodno za vanjsku instalaciju u određenim klimatskim uvjetima na lokaciji. Grijanje, klimatizacija, rasvjeta i pomoćne utičnice su predviđene za zaštitu opreme koja se nalazi unutar kućišta.
Glavne komponente opreme ovog sistema su navedene u nastavku:
Jedno (1) ležište za nadzor i kontrolu
Jedan (1) DC link reaktor
Jedan (1) prekidač van baze na strani jedinice
· Merni i zaštitni uređaji (naponski transformatori VT i strujni transformatori CT)
Jedan (1) prekidač na strani transformatora IRF-a
Osnovni princip rada
Početni statički pretvarač napona napaja se transformatorom za pretvaranje napona.
Početni frekventni pretvarač je indirektni pretvarač frekvencije koji radi kao pretvarač sa prirodnom komutacijom; sastoji se od tri glavne komponente:
· Jedan (1) tiristorski mostni ispravljač (mrežni most) napajan transformatorom za konverziju napona.
· Jedan (1) tiristorski inverterski most (most jedinice) spojen na generator preko prekidača.
· Jedan (1) međukolo DC veze čiji reaktor obezbeđuje izolaciju između mreže i mostova jedinica.
Predloženi sistem uključuje generator impulsa za okidanje. Asinkrono upravljanje se u potpunosti vrši obradom signala preuzetih sa sinhronog startnog motora pomoću naponskih transformatora.
Kada radi u motornom režimu, namotaj rotora generatora se napaja jednosmernom strujom iz sistema koji uključuje:
Tiristorski most koji radi u generatorskom režimu
· Automatski sistem koji dovodi jednosmernu struju na namotaj polja rotora pomoću kliznih prstenova i četkica. Četke se pritiskaju na prstenove na početku niza ili ciklusa pranja i podižu s prstenova na kraju niza ili ciklusa.
Funkcije
Pretvarač startne frekvencije dizajniran je za obavljanje sljedećih funkcija:
· Pokretanje turbine: Uređaj za okretanje stvara početni moment okretanja na osi vratila; tada HRC ubrzava osovinu gasne turbine do brzine sa sopstvenim pogonom.
· Ispiranje (sa demontažom kompresora): Tokom ove sekvence, CFC rotira gasnu turbinu malom, konstantnom brzinom.
Opis i elementi dizajna
Kompletna oprema je instalirana unutar klimatizovanog kućišta pogodnog za vanjsku instalaciju.
Unutar ormarića možemo grubo razlikovati dvije različite grupe opreme:
· Oprema za napajanje
Pomoćna i upravljačka oprema
Snagaoprema
Reaktor za ujednačavanje istosmjerne veze i energetski tiristorski modul su „snažne“ jedinice frekventnog pretvarača.
Energetski tiristorski modul mreže/agregata uključuje tiristorske krakove mosta, njihove zaštitne sisteme, priključke i mjerne instrumente (strujni transformatori, naponski transformatori).
Reaktor za glačanje DC veze obično se pravi sa vazdušno hlađenim gvozdenim jezgrom opremljenim senzorom maksimalne temperature. Reaktor obavlja funkciju ograničavanja strujnih valova u srednjem kontinuiranom strujnom kolu.
Za spajanje IF kruga i statora generatora postoji jedan tropolni prekidač s motornim pogonom. Rastavljač je opremljen uređajem za uzemljenje na HRC strani.
Unutar ormara opreme ugrađen je jedan tropolni prekidač za spajanje IF kola na IF transformator.
Pomoćna i upravljačka oprema
Upravljačke i zaštitne funkcije frekventnog pretvarača se izvode korištenjem svih potrebnih komandi, signala, alarma, instrumenata i pomoćnih krugova koji se nalaze u jedinici. Pomoćna kola se sastoje od pretvarača, relejne logike, PLC kola i interfejs ploča.
Kontrolni sistem obavlja sljedeće glavne funkcije:
· Fazni pretvarač konstantne frekvencije na strani linije
· Fazni pomerač pretvarača promenljive frekvencije na strani uređaja (u dva režima rada: pulsni i prirodni prekidački režim)
Regulator brzine sa unutrašnjom petljom regulatora struje
Kontrola startnog ugla pretvarača varijabilne frekvencije
· Operativna logika (PLC)
· Interfejs pretvarača (generator impulsa za otvaranje tiristora, prozivanje signala iz naponskih i strujnih transformatora)
Interfejs za namotavanje polja
· Dijagnostika i korisnički interfejs.
Tehničke karakteristike frekventnog pretvarača - opći parametri
· Primjenjivi standardi: IEC, IEEE
Nazivna početna snaga: 2250 kW
· Ispravljač:
Količina: 1
Ulazni napon u praznom hodu: 1550 Volti
· Inverter:
Količina: 1
Izlazni napon: 0 – 1450 V
· Reaktor za zaglađivanje
Količina: 1
Tip: suhi reaktor sa željeznom jezgrom
· Tip upravljanja: Mikroprocesor
Vrsta instalacije: u kontejneru
Pronalazak se odnosi na oblast energetike, posebno na metode za pokretanje i napajanje gasnih pumpnih jedinica, i može se koristiti pri pokretanju bilo koje gasnoturbinske jedinice. Metoda pokretanja energetske gasne turbine uključuje tri faze. U prvom i drugom stupnju, kruto povezani rotori turbopunjača vrte se vanjskim uređajem za pokretanje, na primjer ekspanderom, kruto spojenim putem automatske spojnice na osovinu turbopunjača. Turbopunjač sadrži kompresor, turbinu i komoru za sagorevanje opremljenu ventilom za kontrolu goriva, zatvorenom u prvoj fazi pokretanja i blago otvorenim u drugoj. Naknadno odvajanje kruto povezanih rotora kompresora i turbine sa startnog uređaja kada dostignu projektnu brzinu i dovođenje na radnu brzinu u trećem stepenu povećanjem protoka i pritiska loživog gasa. Na izlazu iz aksijalnog kompresora instaliran je rasterećeni ventil, spojen na ulaz u komoru za izgaranje. Puštanje plinske turbine u rad u prvom i drugom stupnju vrši se s otvorenim ventilom za zaštitu, a prije isključivanja uređaja za pokretanje, rasterećeni ventil se zatvara. Izum ima za cilj smanjenje disbalansa snage uzrokovanog padom brzine rotora turbine i temperaturnim skokom ispred njega, u trenutku kada se startni uređaj isključuje prilikom pokretanja plinske turbine. 2 ill.
Pronalazak se odnosi na oblast energetike, tačnije na metode za pokretanje i napajanje gasnoturbinskih jedinica (GTU) korišćenjem gasovitog goriva.
Puštanje u rad gasnoturbinske jedinice je najkritičnija faza u organizaciji rada kompresorske stanice. Kako se rotori plinske turbine pokreću, dinamička opterećenja počinju da rastu, a toplinski naprezanja nastaju u komponentama i dijelovima uslijed zagrijavanja plinske turbine. Povećanje temperature dovodi do promjene linearnih dimenzija lopatica i diskova, promjene praznina u protočnom dijelu i toplinskog širenja cjevovoda. Prilikom pokretanja rotora u prvom trenutku nije osiguran stabilan hidraulički klin u sistemu za podmazivanje. U toku je proces prebacivanja rotora sa radnih na instalacione. Kompresor plinske turbine je blizu rada u zoni prenapona. Superpunjač izvodi veliki protok plina pri niskom omjeru kompresije, što dovodi do velikih brzina, posebno recirkulacijskih cjevovoda, što uzrokuje njihove vibracije. Tokom procesa puštanja u rad, prije nego što dođu u režim „praznog gasa“, osovinski vodovi nekih tipova plinskih turbinskih postrojenja prolaze kroz okretaje koji se poklapaju sa prirodnom frekvencijom oscilacija, tj. kroz rezonantne obrte.
Agregat plinske turbine se pokreće pomoću uređaja za pokretanje. Za gasne pumpne jedinice (GPU) koriste se turboekspanderi koji rade uglavnom na razlici pritisaka prirodnog gasa, koji se prethodno očisti i redukuje na potreban pritisak. Turboekspanderi su instalirani na većini stacionarnih i nekih avionskih GPU-a. Ponekad se kompresovani vazduh koristi kao radni fluid.
Osim turboekspandera, naširoko se koriste električni starteri, koji se koriste na brodskim GPU-ovima. Nekoliko jedinica je opremljeno hidrauličnim sistemom za pokretanje. Snaga uređaja za pokretanje je 0,3-3,0% snage GPU-a, ovisno o vrsti GPU-a - zrakoplovni ili stacionarni.
Razmotrimo tipičan algoritam za automatsko pokretanje stacionarne jedinice za pumpanje plina. Prilikom pokretanja jedinice plinskog kompresora mogu se razlikovati tri stupnja. U prvoj fazi, rotacija rotora aksijalnog kompresora i turbine visokog pritiska događa se samo zbog rada uređaja za pokretanje.
U drugoj fazi, rotor turbopunjača se vrti zajedno od strane turboekspandera i turbine. Kada brzina turbopunjača dostigne dovoljnu za paljenje smjese na 400-1000 o/min, uključuje se sistem paljenja i plin se dovodi u pilot gorionik. Normalno paljenje pokazuje senzor - foto relej. Otprilike 1-2 minute nakon što temperatura dostigne približno 150-200°C, završava se prva faza zagrijavanja, regulacijski ventil se otvara za oko 5% i počinje druga faza zagrijavanja koja traje 10 minuta. Zatim dolazi do postepenog povećanja brzine turbine visokog pritiska zbog otvaranja ventila za kontrolu gasa. Kada brzina dostigne približno 50% nominalne vrijednosti, turbina ulazi u "samohodni" način rada. Kada se kvačilo turbo ekspandera isključi, završava se druga faza okretanja rotora. U ovom trenutku, kako bi se izbjegao pad brzine rotora turbopunjača, ventil za kontrolu goriva se oštro otvara za 2-3%.
U trećoj fazi, rotor turbopunjača se dodatno ubrzava postupnim povećanjem dovoda plina u komoru za sagorijevanje. Istovremeno, ventili protiv prenapona aksijalnog kompresora su zatvoreni, turbo jedinica se prebacuje na rad sa startnih pumpi na glavne, koje rotori jedinice pokreću u rotaciju. (A.N. Kozačenko. Rad kompresorskih stanica magistralnih gasovoda. - M.: Izdavačka kuća "Nafta i gas", 1999, str. 459).
Nedostaci poznatog tehničkog rješenja su u skoku temperature produkata sagorijevanja u turbini po završetku druge faze puštanja u rad. To dovodi do značajnih temperaturnih naprezanja u komponentama turbine, do ometanja lopatica rotora sa zaptivnim elementima radijalnih zazora i, kao posljedicu, do smanjenja vijeka snage i efikasnosti gasnoturbinske jedinice.
Poznate su metode za pokretanje plinske turbine sa turbinom slobodne snage okretanjem rotora kompresora plinske turbine pomoću vanjskih motora za pokretanje (elektromotori, parne turbine, pneumatski starteri, plinski turbinski agregati). (Stacionarne gasne turbinske jedinice: Priručnik. / Ed. L.V. Arsenjev i V.G. Tyryshkin. - L.: Mašinostroenie, 1989, str. 376-377).
Najbliže tehničko rješenje predloženom pronalasku je metoda pokretanja i snabdijevanja plinom elektrane prema RF patentu br. 2186224, koja uključuje okretanje kruto spojenih rotora turbopunjača i kompresora gorivog plina sa vanjskim startnim motorom. (prva faza).
Nakon što spojeni rotori pojačivača kompresora i turbopunjača dostignu početnu brzinu, otvara se kontrolni ventil gorivog plina, gorivi plin se dovodi u komoru za sagorijevanje i pali pomoću upaljača. Produkti sagorevanja prolaze kroz gasnu turbinu gasne turbine, okrećući gore pomenute pridružene rotore. Kako se spojeni rotori okreću gore i dostiže takozvani "samohodni" način rada, kruto spojeni rotori turbopunjača i kompresora gorivog plina se odvajaju od startnog motora kada dostignu projektnu brzinu (druga faza), a stepen otvaranja kontrolnog ventila gorivog gasa je povećan, što povećava brzinu turbopunjača rotora. Dalje povećanje radne brzine postiže se povećanjem protoka i pritiska gorivnog gasa (treći stepen).
Ovo tehničko rješenje također ima gore opisane nedostatke povezane s temperaturnim skokom kada je uređaj za pokretanje isključen.
Tehnički cilj predloženog izuma je razvoj metode za pokretanje plinske turbine koja omogućava smanjenje neravnoteže snage kada se uređaj za pokretanje isključi bez povećanja potrošnje goriva pri pokretanju plinske turbine. Ova neravnoteža snage se manifestuje u padu brzine osovine turbine uz istovremeni značajan skok temperature ispred nje.
Tehnički rezultat se postiže činjenicom da u poznatom uređaju koji sadrži vanjski uređaj za pokretanje (turboekpander), kruto povezan putem automatske spojnice na osovinu turbopunjača, uključujući kompresor, turbinu i komoru za izgaranje opremljenu gorivom. kontrolni ventil, koji je zatvoren u prvoj fazi pokretanja, a u drugoj - lagano se otvara, sa povećanjem stepena njegovog otvaranja u trećoj fazi pokretanja, napravljene su promjene za promjenu plina algoritam pokretanja turbine, odnosno;
Na izlazu iz aksijalnog kompresora instaliran je prelivni ventil, spojen na ulaz komore za izgaranje:
Puštanje plinske turbine u rad u prvoj i drugoj fazi vrši se s otvorenim ventilom za osiguranje;
Kada se dostigne "samohodni" način rada, prelivni ventil se zatvara prije isključivanja ekspandera.
Kao rezultat dodatnog protoka zraka kroz turbinu, smanjuje se neravnoteža snage koja nastaje kada se ekspander isključi, dok povećanje protoka zraka kroz komoru za sagorijevanje kada je ventil za kontrolu goriva (FVR) izduvan dovodi do značajnog smanjenje temperaturnog skoka ispred turbo motora.
Na slici 1 je prikazan dijagram kojim se implementira predloženi način pokretanja gasne turbine, a na slici 2 prikazan je raspored pokretanja gasne turbine prema prototipu i prema predloženom pronalasku.
Glavni elementi kola su: 1 - vanjski startni motor (ekpander); 2 - kvačilo za otpuštanje; 3 - aksijalni kompresor; 4 - kontrolni ventil za gorivo; 5 - pogon gasne turbine; 6 - prelivni ventil; 7 - komora za sagorevanje; 8 - energetska gasna turbina; 9 - opterećenje; 10 - automatski upravljački sistem (ACS).
Predloženi način pokretanja gasne turbine se izvodi automatski prema ACS komandama kako slijedi. Eksterni startni motor 1 okreće kruto povezana osovina aksijalnog kompresora 3 i pogonske gasne turbine 5 kroz kvačilo za otpuštanje 2. Kontrolni ventil gorivog gasa 4 je zatvoren, a ventil za rasterećenje 6 je otvoren. Vazduh koji prolazi kroz komora za sagorevanje 7, ulazi u pogonsku turbinu, okrećući gore pomenute komunikacijske osovine zbog ekspanzije gasa. Kada spojeni rotori dostignu početnu brzinu, ventil za kontrolu goriva 4 se lagano otvara, a kada se dostigne "samohodni" način rada, ventil se zatvara, dok kvačilo za otpuštanje 2 automatski isključuje rotor startnog motora 1. od spojenih rotora aksijalnog kompresora 3 i pogonske gasne turbine 5, a stepen otvaranja ventila za kontrolu goriva je povećan.
Razmatrana metoda pokretanja može se primijeniti na bilo koje plinsko turbinsko postrojenje koje koristi startni turboekspander.
Na slici 2 prikazane su početne karakteristike gasnoturbinske jedinice GTK-10 sa algoritmom pokretanja prema prototipu (poznatom) i prema predloženom algoritmu.
Iz analize grafikona na slici 2, možemo zaključiti da se nakon isključivanja startnog turboekspandera (pri brzini rotacije od 2600-2800 o/min - “samohodni” način rada), pad u brzini rotora turbopunjača smanjio sa 300 o/min do 50 o/min, tj. 6 puta, a skok temperature produkata sagorevanja se smanjio za 50°C, tj. dvaput.
Dakle, predloženi algoritam za pokretanje plinske turbine omogućava nam da značajno smanjimo pad brzine osovine turbokompresora i skok temperature produkata izgaranja u turbini, što zauzvrat osigurava povećanje vijeka trajanja plina. turbina i smanjenje potrošnje goriva.
Implementacija predloženog algoritma za pokretanje gasnoturbinske jedinice izvršena je u julu 2007. godine na gasnom pumpnom agregatu (GPU) GTNR-16 i planirana je za implementaciju na GPU GTK-10.
Metoda pokretanja instalacije energetske gasne turbine, koja uključuje tri stepena, a u prvoj i drugoj fazi, kruto spregnuti rotori turbopunjača se okreću prema gore pomoću vanjskog uređaja za pokretanje, na primjer, ekspandera, kruto spojenog putem automatske spojnice na osovinu turbopunjača, uključujući kompresor, turbinu i komoru za sagorevanje opremljenu gorivom - kontrolni ventil, zatvoren u prvoj fazi pokretanja i blago otvoren u drugoj, odvajajući kruto spojeni kompresor i rotore turbine od startnog uređaja kada dostignu projektnu brzinu i dovode ih na radnu brzinu u trećoj fazi povećanjem protoka i pritiska loživog gasa, naznačen time što je na izlazu iz aksijalnog kompresora ugrađen prelivni ventil, spojen na ulaz komore za sagorijevanje, a pokretanje plinske turbine u prvoj i drugoj fazi vrši se s otvorenim ventilom za izgaranje, a prije odvajanja uređaja za pokretanje, rasterećeni ventil se zatvara.
Gasnoturbinske jedinice (GTU) su jedna, relativno kompaktna jedinica u kojoj energetska turbina i generator rade u tandemu. Sistem je postao široko rasprostranjen u takozvanom malom energetskom sektoru. Odličan za snabdijevanje električnom energijom i toplinom velikih poduzeća, udaljenih naselja i drugih potrošača. U pravilu, plinske turbinske jedinice rade na tekuće gorivo ili plin.
Na čelu napretka
U povećanju energetskog kapaciteta elektrana vodeću ulogu ima prelazak na plinske turbinske jedinice i njihov daljnji razvoj - plinske jedinice s kombiniranim ciklusom (CCGT). Tako u američkim elektranama od početka 1990-ih više od 60% puštenih i moderniziranih kapaciteta već čine plinskoturbinski agregati i plinski turbinski agregati s kombiniranim ciklusom, au nekim zemljama u pojedinim godinama njihov udio je dostigao i 90%.
Jednostavne gasne turbinske jedinice se takođe grade u velikom broju. Plinska turbina - mobilna, ekonomična za rad i laka za popravku - pokazala se kao optimalno rješenje za pokrivanje vršnih opterećenja. Na prijelazu stoljeća (1999-2000) ukupni kapacitet gasnih turbinskih jedinica dostigao je 120.000 MW. Poređenja radi: 80-ih godina ukupan kapacitet sistema ovog tipa bio je 8000-10.000 MW. Značajan dio gasnoturbinskih agregata (više od 60%) bio je namijenjen za rad u sklopu velikih binarnih kombinotnih postrojenja prosječne snage oko 350 MW.
Istorijska referenca
Teorijske osnove upotrebe parno-gasnih tehnologija su u našoj zemlji dovoljno detaljno proučavane još početkom 60-ih godina. Već tada je postalo jasno: opšti put razvoja termoenergetike povezan je upravo sa parno-gasnim tehnologijama. Međutim, za njihovu uspješnu implementaciju bila su potrebna pouzdana i visokoefikasna plinska turbina.
Upravo je značajan napredak u izgradnji gasnih turbina odredio savremeni kvalitativni skok u termoenergetici. Brojne strane kompanije uspješno su riješile problem stvaranja efikasnih stacionarnih plinskih turbinskih postrojenja u vrijeme kada su domaće vodeće vodeće organizacije u komandnoj ekonomiji promovirale tehnologije parnih turbina koje su najmanje obećavale (STU).
Ako su 60-ih godina gasnoturbinske jedinice bile na nivou od 24-32%, onda su krajem 80-ih najbolje stacionarne gasne turbinske jedinice već imale efikasnost (kada se koriste autonomno) od 36-37%. To je omogućilo stvaranje CCGT jedinica na njihovoj osnovi, čija je efikasnost dostigla 50%. Do početka novog vijeka ova brojka iznosila je 40%, au kombinaciji s plinskim motorima s kombiniranim ciklusom - čak 60%.
Poređenje parnih turbina i plinskih postrojenja s kombiniranim ciklusom
U postrojenjima sa kombinovanim ciklusom zasnovanim na gasnoturbinskim jedinicama, neposredna i realna perspektiva je postizanje efikasnosti od 65% ili više. Istovremeno, za postrojenja s parnim turbinama (razvijena u SSSR-u), samo ako se uspješno riješe niz složenih naučnih problema vezanih za stvaranje i korištenje superkritične pare, može se nadati efikasnosti ne većoj od 46-49 %. Dakle, u pogledu efikasnosti, sistemi parnih turbina su beznadežno inferiorni u odnosu na sisteme kombinovanog ciklusa.
Elektrane s parnim turbinama također su značajno inferiornije u cijeni i vremenu izgradnje. U 2005. godini, na globalnom energetskom tržištu, cijena 1 kW za CCGT jedinicu kapaciteta 200 MW ili više bila je 500-600 USD/kW. Za CCGT jedinice manjeg kapaciteta, cijena je bila u rasponu od 600-900 $/kW. Snažne plinske turbine odgovaraju vrijednostima od 200-250 $/kW. Sa smanjenjem jedinične snage, njihova cijena raste, ali obično ne prelazi 500 USD/kW. Ove vrijednosti su nekoliko puta manje od cijene po kilovatu električne energije iz sistema parnih turbina. Na primjer, cijena instaliranog kilovata za kondenzacijske parne turbine se kreće od 2000-3000 USD/kW.
Instalacija uključuje tri osnovne jedinice: komoru za sagorijevanje i zračni kompresor. Štaviše, sve jedinice su smještene u montažnoj jednoj zgradi. Rotori kompresora i turbine su čvrsto povezani jedni s drugima, oslonjeni na ležajeve.
Komore za sagorijevanje nalaze se oko kompresora (na primjer, 14 komada), svaka u svom zasebnom kućištu. Zrak ulazi u kompresor kroz ulaznu cijev, a zrak izlazi iz plinske turbine kroz izduvnu cijev. Kućište plinske turbine je zasnovano na snažnim nosačima postavljenim simetrično na jednom okviru.
Princip rada
Većina plinskih turbinskih instalacija koristi princip kontinuiranog sagorijevanja ili otvorenog ciklusa:
- Prvo, radni fluid (vazduh) se pumpa pod atmosferskim pritiskom odgovarajućim kompresorom.
- Vazduh se zatim komprimira na viši pritisak i usmerava u komoru za sagorevanje.
- Opskrbljuje se gorivom koje gori pod konstantnim pritiskom, osiguravajući konstantan dovod topline. Zbog sagorijevanja goriva povećava se temperatura radnog fluida.
- Zatim radni fluid (sada je to plin, koji je mješavina zraka i produkata izgaranja) ulazi u plinsku turbinu, gdje, šireći se do atmosferskog tlaka, obavlja koristan rad (okreće turbinu koja proizvodi električnu energiju).
- Nakon turbine, plinovi se ispuštaju u atmosferu, kroz koju se radni ciklus zatvara.
- Razliku u radu turbine i kompresora uočava električni generator koji se nalazi na zajedničkom vratilu sa turbinom i kompresorom.
Jedinice sa povremenim sagorevanjem
Za razliku od prethodnog dizajna, jedinice s povremenim sagorijevanjem koriste dva ventila umjesto jednog.
- Kompresor potiskuje vazduh u komoru za sagorevanje kroz prvi ventil dok je drugi ventil zatvoren.
- Kada pritisak u komori za sagorevanje poraste, prvi ventil se zatvara. Kao rezultat, volumen komore postaje zatvoren.
- Kada su ventili zatvoreni, gorivo se sagorijeva u komori; prirodno se njegovo sagorijevanje odvija pri konstantnoj zapremini. Kao rezultat, pritisak radnog fluida dodatno raste.
- Zatim se otvara drugi ventil i radni fluid ulazi u gasnu turbinu. U tom slučaju, pritisak ispred turbine će se postepeno smanjivati. Kada se približi atmosferskom pritisku, drugi ventil treba zatvoriti, prvi otvoriti i ponoviti redoslijed radnji.
Prelazeći na praktičnu implementaciju jednog ili drugog termodinamičkog ciklusa, dizajneri se moraju suočiti sa mnogim nepremostivim tehničkim preprekama. Najtipičniji primjer: kada je vlažnost pare veća od 8-12%, gubici u protočnom dijelu naglo se povećavaju, povećavaju se dinamička opterećenja i dolazi do erozije. To u konačnici dovodi do uništenja putanje strujanja turbine.
Kao rezultat ovih ograničenja u energiji (za dobijanje rada), samo dva osnovna termodinamička Rankineova ciklusa i Braytonov ciklus se široko koriste. Većina elektrana izgrađena je na kombinaciji elemenata ovih ciklusa.
Rankineov ciklus se koristi za radne fluide koji u procesu realizacije ciklusa dovršavaju parne elektrane u takvom ciklusu. Za radne fluide koji se ne mogu kondenzovati u realnim uslovima i koje nazivamo gasovima, koristi se Braytonov ciklus. U ovom ciklusu rade plinske turbine i motori s unutrašnjim sagorijevanjem.
Koristi se gorivo
Velika većina plinskih turbinskih jedinica dizajnirana je za rad na prirodni plin. Ponekad se tečno gorivo koristi u sistemima male snage (rjeđe - srednje snage, vrlo rijetko - velike snage). Novi trend je prelazak kompaktnih plinskih turbinskih sistema na korištenje čvrstih zapaljivih materijala (ugalj, rjeđe treset i drvo). Ovi trendovi su posljedica činjenice da je plin vrijedna tehnološka sirovina za hemijsku industriju, gdje je njegova upotreba često isplativija nego u energetskom sektoru. Proizvodnja gasnih turbinskih jedinica koje mogu efikasno da rade na čvrsto gorivo aktivno dobija na zamahu.
Razlika između motora sa unutrašnjim sagorevanjem i gasne turbine
Osnovna razlika između kompleksa plinskih turbina svodi se na sljedeće. Kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem, procesi kompresije vazduha, sagorevanja goriva i širenja produkata sagorevanja odvijaju se unutar jednog strukturnog elementa koji se naziva cilindar motora. U gasnoturbinskoj jedinici ovi procesi su odvojeni u zasebne strukturne jedinice:
- kompresija se vrši u kompresoru;
- sagorijevanje goriva, odnosno u posebnoj komori;
- ekspanzija se vrši u gasnoj turbini.
Kao rezultat toga, plinske turbinske jedinice i motori s unutarnjim sagorijevanjem su strukturno vrlo slični, iako rade po sličnim termodinamičkim ciklusima.
Zaključak
Sa razvojem male energetike i povećanjem njene efikasnosti, gasnoturbinski i parnoturbinski sistemi zauzimaju sve veći udeo u ukupnom energetskom sistemu sveta. Shodno tome, operater gasnih turbina je sve traženiji. Prateći svoje zapadne partnere, jedan broj ruskih proizvođača ovladao je proizvodnjom isplativih plinskih turbinskih jedinica. Prva kombinovana elektrana nove generacije u Ruskoj Federaciji bila je Sjeverozapadna CHPP u Sankt Peterburgu.
Za početak samostalnog rada, turbopunjač plinske turbinske jedinice mora imati određenu brzinu rotacije. To se postiže pomoću neke vrste startnog motora koji ubrzava rotor turbopunjača. Tokom procesa pokretanja, na 2700-2900 o/min, uključuje se dovod goriva i na 2900-3200 o/min, gorivo se pali. Nakon što se gorivo zapali, paljenje se isključuje i sagorevanje u komorama se održava neprekidno. Kako temperatura plina raste i brzina raste, snaga koju proizvodi turbina raste, a samim tim i snaga pokretačkog motora opada. Po dostizanju približno 5600 o/min, starter se isključuje i turbopunjač radi samostalno, pri čemu snaga turbine u potpunosti osigurava snagu koju troši kompresor.
Asinhroni trofazni motori na izmjeničnu struju imaju nepovoljnu karakteristiku momenta u funkciji brzine, pa njihova instalisana snaga mora biti veća od snage koju troši turbopunjač tokom perioda pokretanja. AC motori sa faznim prstenovima imaju najbolje startne karakteristike. Smanjenje snage asinhronog elektromotora može se postići korištenjem kontinuirano varijabilnog prijenosa između motora i turbopunjača. Kontinuirano promjenjivi prijenos može biti hidraulički ili sa pumpama sa pozitivnim pomjeranjem i hidrauličnim motorima, ili sa fluidnim spojnicama i hidrodinamičkim transformatorima.
Kod vrlo velikih plinskih turbina sa teškim rotorima snaga i dimenzije AC startnih motora dostižu neprihvatljive vrijednosti, zbog čega se za pokretanje moraju koristiti DC elektromotori sa povoljnijim karakteristikama. Stanice po pravilu nemaju izvore istosmjerne struje velike snage, pa u takvim slučajevima startni sistem uključuje zasebnu generatorsko-pogonsku jedinicu koja pretvara naizmjeničnu struju u jednosmjernu. Dodatna prednost ovakvog sistema je mogućnost dugotrajnog uhodavanja turbopunjača pri bilo kojoj brzini u okviru dozvoljene snage električnog sistema, što je veoma dragocjeno pri postavljanju prototipa agregata i pri osluškivanju turbo agregata nakon remonta.
Kako bi se smanjila veličina startnih elektromotora, oni su obično značajno preopterećeni. Stoga, kako bi se izbjeglo neprihvatljivo pregrijavanje startnih motora, broj uzastopnih pokretanja u slučaju neuspješnog pokretanja obično je ograničen na tri; Prije naknadnog uključivanja potrebno ih je ohladiti 20-30 minuta.
Radna brzina startnog elektromotora odgovara broju okretaja osovine kompresora u trenutku kada plinska turbina počinje samostalno raditi, stoga, kako bi se izbjegao neprihvatljiv prekoračenje brzine startnog motora, između njega se postavljaju spojke za pretjecanje. i plinsku turbinu.
Električni start se napaja iz mreže naizmjenične struje od 380 V, 50 Hz. Koristi se asinhroni motor sa konstantnom brzinom ili sinhroni motor BDPT-1966.
Puštanje u rad plinskog kompresora je najkritičnija faza u organizaciji rada kompresorske stanice. To je zbog činjenice da se prilikom pokretanja plinskog kompresora istovremeno stavlja u rad vrlo veliki broj sistema, kako sama jedinica tako i pomoćni sistemi kompresorske stanice, čija priprema i ispravna konfiguracija određuje koliko je pouzdano ovo pokretanje se izvodi.
Kako se rotori plinske turbine pokreću, dinamička opterećenja počinju da rastu, a na komponentama i dijelovima nastaju toplinska naprezanja zbog pregrijavanja plinske turbine. Povećanje termičkog stanja dovodi do promjene linearnih dimenzija lopatica i diskova, promjene praznina u protočnom dijelu i toplinskog širenja cjevovoda. Prilikom pokretanja rotora u prvom trenutku nije osiguran stabilan hidraulički klin u sistemu za podmazivanje. U toku je proces prebacivanja rotora sa radnih na instalacione. GPU kompresor je blizu rada u zoni prenapona. Superpunjač izvodi veliki protok plina pri niskom omjeru kompresije, što dovodi do velikih brzina, posebno kod recirkulacijskih cjevovoda, i uzrokuje njihove vibracije.
GPU se pokreće pomoću početnih uređaja. Glavni uređaji koji se koriste su turboekspanderi, koji rade uglavnom zahvaljujući pritisku prirodnog plina, koji je prethodno očišćen i reduciran na potreban tlak.
Dijagram veze između uređaja za pokretanje i gorivnog plina prikazan je na slici 6.9
.
Rice. 6.9 Šematski dijagram sistema za gorivo i startni gas:
TG – gorivni gas; PG – startni gas; VZK – komora za usis zraka;
TD – turboekspander; OK – aksijalni kompresor; KS – komora za sagorevanje;
HPT – turbina visokog pritiska; LPT – turbina niskog pritiska;
N – kompresor; REG – regenerator; RK – kontrolni ventil
Puštanje u rad jedinice plinskog kompresora uključuje nekoliko faza.
Prva faza– pripremni, kada se vrši vanjski pregled opreme radi isključivanja stranih predmeta, provjerava se pričvršćivanje opreme koja je izložena vibracijama, provjerava se položaj ventila: ventili 1, 2, 4, 6 su zatvoreni, ventil 5 je otvoreni, ventili na vodovima za dovod gasa za pokretanje turboekspandera su zatvoreni i gorivni gas ulazi u komoru za sagorevanje.
Druga faza– simulacijom se provjeravaju zaštitni i alarmni sistemi GPU-a. U ovom slučaju, zaštite se dijele u dvije grupe: CS zaštita i GPU zaštita.
Zaštita Ustavnog suda– to je zaštita radionice od kontaminacije gasom, požara, tlačna zaštita na izlazu stanice, zaštita od vanrednih situacija na trasi, zaštita od temperature gasa na ulazu u gasovod itd.
GPU zaštita– ovo je zaštita za pritisak ulja u uljnim sistemima (bar
0,2 kg/cm 2), zaštita za gašenje gorionika u komori za sagorevanje, zaštita od prekoračenja broja obrtaja osovine ekspandera, HPT, LPT, zaštita temperature ležaja, zaštita od vibracija itd.
Treća faza– direktno pokretanje gasnog kompresora.
Razmotrimo tipičan algoritam za pokretanje stacionarnog plinskog kompresora s kompresorom punog tlaka. U prvoj fazi, rotacija rotora aksijalnog kompresora i turbine visokog pritiska događa se samo zbog rada uređaja za pokretanje, a sam algoritam se odvija na sljedeći način. Nakon pritiska na dugme "Start", uključuje se startna pumpa za ulje-podmazivanje i pumpa za brtvljenje ulja. Ventil br. 4 se otvara i sa otvorenim ventilom br. 5, krug kompresora se pročišćava 15-20 s. Nakon zatvaranja ventila br. 5 i povećanja pritiska u kompresoru na diferencijal od 0,1 MPa, ventil br. 1 se otvara ventilom br. 1, zatvara ventilom br. 4, a otvara ventilom jedinice br. 6. U ovom U slučaju, krug kompresora je popunjen, a takvo pokretanje se naziva puštanje u rad jedinice plinskog kompresora sa ispunjenim obrisom.
Zatim se uključuje okretni uređaj, uključuje turboekspander, otvara se hidraulički ventil broj 13. Zatim se otvara ventil br. 11, zatvara ventil br. 10 i isključuje okretni uređaj. Jedinica se počinje okretati iz turboekspandera.
Prva faza promocije završava se otvaranjem slavine br. 12 i zatvaranjem slavine br. 9.
U drugoj fazi, rotori se zavrte zajedno sa turboekspanderom i turbinom. Kada brzina turbo punjača dostigne 400÷1000 o/min, uključuje se sistem paljenja i otvara se ventil, dovodeći plin u uređaj za paljenje komore za sagorijevanje. Nakon paljenja, nakon 2-3 sekunde, otvara se ventil br. 14 i počinje dovod plina u pilot gorionik. Nakon 1-3 minute. nakon što temperatura dostigne ~ 150-200 °C, završava se prva faza zagrijavanja, regulacijski ventil RK se otvara za 1,5-2 mm i počinje druga faza zagrijavanja koja traje ~ 40 s. Zatim dolazi do postepenog povećanja brzine turbine visokog pritiska usled otvaranja regulacionog ventila RK. Kada brzina dostigne ~40÷45% nominalne vrijednosti, turbina ulazi u režim rada. Ventili br. 13 i 11 su zatvoreni, ventil broj 10 je otvoren. Kada se kvačilo turbo ekspandera otpusti, završava se druga faza okretanja rotora.
U trećoj fazi, rotor turbopunjača se dodatno ubrzava postupnim povećanjem dovoda plina u komoru za sagorijevanje. Istovremeno, ventili protiv prenapona aksijalnog kompresora se zatvaraju, turbo jedinica se prebacuje na rad sa početnih pumpi za ulje na glavne, koje rotori jedinice pokreću u rotaciju.
Kada se brzina rotacije poveća na vrijednost jednaku brzini rotacije ostalih kompresora u radionici, ventil br. 2 se otvara i ventil br. 6 uređaja se zatvara, a uključuje se ekran „Jedinica u radu“.
Pokretanje jedinice je zabranjeno:
Ako bilo koja, barem jedna, zaštita na GPU-u ne uspije;
Kada dijelovi i cjevovodi jedinice nisu u potpunosti sastavljeni;
Ako postoji povećan kap ulja na filterima, nezadovoljavajuća kvaliteta ulja ili curenje ulja za podmazivanje i ulja za brtvljenje;
Ako se kvarovi pronađeni na jedinici za pumpanje plina ne otklone prije odnošenja na popravak;
Prilikom prinudnog i hitnog zaustavljanja dok se ne otkloni uzrok koji je izazvao zaustavljanje;
U slučaju kvara sistema za gašenje požara i kontrole gasa, kao i kada se otkriju zauljene površine gasovoda i vazdušnih kanala.