Poglavlje 11 Značajke pokretanja jedinice plinske turbine
Statički pretvarač frekvencije (SFC)
Opće informacije
Statički pretvarač frekvencije (SFC) koristi se za okretanje osovine plinske turbine opskrbom generatora promjenjivom frekvencijom, smanjenim naponom i smanjenom pobudnom snagom.
Postupak pokretanja plinske turbine je potpuno automatski. Generator se koristi u "motornom" načinu rada i tijekom ciklusa pokretanja ubrzava osovinu do određenog postotka nazivne brzine.
Kada se postigne taj određeni postotak nazivne brzine, CFC se isključuje i plinska turbina zatim sama ubrzava do 100% nazivne brzine.
Pri 100% nazivne brzine, generator proizvodi nazivni napon i spreman je za izvođenje sinkronizacije s elektroenergetskim sustavom.
Uz funkciju pokretanja, VHF se također koristi za ubrzavanje jedinice do određene brzine tijekom ciklusa ispiranja.
Pokretanje opreme sustava
Oprema sustava za pokretanje nalazi se u kućištu koje se obično nalazi uz odjeljak generatora. Kućište je prikladno za vanjsku ugradnju u određenim klimatskim uvjetima. Grijanje, klimatizacija, rasvjeta i pomoćne utičnice za napajanje osigurani su za zaštitu opreme koja se nalazi unutar ograđenog prostora.
Glavne komponente opreme ovog sustava navedene su u nastavku:
Jedan (1) nadzorni i kontrolni odjeljak
Jedan (1) reaktor istosmjernog međukruga
Jedan (1) prekidač izvan baze na strani jedinice
· Mjerni 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.
Polazni pretvarač frekvencije je neizravni pretvarač frekvencije koji radi kao pretvarač s prirodnom komutacijom; sastoji se od tri glavne komponente:
· Jedan (1) tiristorski mosni ispravljač (mrežni most) napajan transformatorom za pretvorbu napona.
· Jedan (1) tiristorski inverterski most (most jedinice) spojen na generator preko prekidača za isključivanje.
· Jedan (1) međukrug istosmjernog međukruga čiji reaktor osigurava izolaciju između mreže i mostova jedinice.
Predloženi sustav uključuje generator impulsa za okidanje. Asinkrono upravljanje se u potpunosti provodi obradom signala uzetih od sinkronog pokretačkog motora pomoću naponskih transformatora.
Kada radi u motornom načinu rada, namot rotora generatora napaja se istosmjernom strujom iz sustava koji uključuje:
Tiristorski most koji se koristi za rad u generatorskom načinu rada
· Automatski sustav koji opskrbljuje istosmjernu struju namotaju rotorskog polja pomoću kliznih prstenova i četkica. Četke se pritišću na prstenove na početku sekvence pokretanja ili ciklusa pranja i podižu s prstenova na kraju sekvence ili ciklusa.
Funkcije
Početni pretvarač frekvencije dizajniran je za obavljanje sljedećih funkcija:
· Pokretanje turbine: Okretni uređaj stvara početni zakretni moment na osi vratila; tada HRC ubrzava osovinu plinske turbine do brzine vlastitog pogona.
· Ispiranje (s rastavljanjem kompresora): Tijekom ove sekvence, CFC rotira plinsku turbinu malom, konstantnom brzinom.
Opis i elementi dizajna
Kompletna oprema je ugrađena unutar klimatiziranog ormara pogodnog za vanjsku montažu.
Unutar kabineta možemo grubo razlikovati dvije različite skupine opreme:
· Energetska oprema
Pomoćna i upravljačka oprema
Vlastoprema
Prigušnica za izravnavanje istosmjernog međukruga i tiristorski modul snage su jedinice "snage" pretvarača frekvencije.
Energetski tiristorski modul mreže/jedinice uključuje tiristorske krakove mosta, njihove zaštitne sustave, priključke i mjerne instrumente (strujni transformatori, naponski transformatori).
Reaktor za izravnavanje istosmjernog međukruga obično se izrađuje sa zrakom hlađenom željeznom jezgrom opremljenom senzorom maksimalne temperature. Reaktor obavlja funkciju ograničenja strujnih valova u srednjem kontinuiranom strujnom krugu.
Za spajanje IF strujnog kruga i statora generatora postoji jedna tropolna rastavljač s motornim pogonom. Rastavljač je opremljen uzemljenjem na HRC strani.
Unutar ormara opreme ugrađen je jedan tropolni prekidač za spajanje IF strujnog kruga na IF transformator.
Pomoćna i upravljačka oprema
Upravljačke i zaštitne funkcije frekventnog pretvarača izvode se pomoću svih potrebnih naredbi, signala, alarma, instrumenata i pomoćnih krugova koji se nalaze u jedinici. Pomoćni krugovi se sastoje od pretvarača, relejne logike, PLC sklopova i ploča sučelja.
Sustav upravljanja obavlja sljedeće glavne funkcije:
· Pokretač faze pretvarača konstantne frekvencije na strani linije
· Fazni pomak pretvarača promjenjive frekvencije na strani jedinice (u dva načina rada: pulsni način i način prirodnog preklapanja)
Regulator brzine s unutarnjom petljom regulatora struje
Kontrola početnog kuta pretvarača promjenjive frekvencije
· Radna logika (PLC)
· Sučelje pretvarača (generator impulsa za otvaranje tiristora, prozivanje signala iz naponskih i strujnih transformatora)
Sučelje namotaja polja
· Dijagnostika i korisničko sučelje.
Tehničke karakteristike pretvarača frekvencije - opći parametri
· Primjenjivi standardi: IEC, IEEE
Nazivna startna snaga: 2250 kW
· Ispravljač:
Količina: 1
Ulazni napon u mirovanju: 1550 volti
· Inverter:
Količina: 1
Izlazni napon: 0 – 1450 V
· Reaktor za izglađivanje
Količina: 1
Tip: Suhi reaktor sa željeznom jezgrom
· Vrsta kontrole: Mikroprocesor
Vrsta ugradnje: u kontejner
Izum se odnosi na područje energetike, posebice na metode pokretanja i napajanja plinskih pumpnih jedinica, te se može koristiti pri pokretanju bilo koje plinskoturbinske jedinice. Metoda pokretanja postrojenja energetske plinske turbine uključuje tri faze. U prvom i drugom stupnju, kruto povezani rotori turbopunjača okreću se vanjskim pokretačkim uređajem, na primjer ekspanderom, kruto spojenim preko automatske spojke na osovinu turbopunjača. Turbopunjač sadrži kompresor, turbinu i komoru za izgaranje opremljenu ventilom za kontrolu goriva, zatvorenim u prvom stupnju pokretanja i lagano otvorenim u drugom. Naknadno odvajanje kruto spojenih rotora kompresora i turbine od pokretačkog uređaja kada postignu proračunsku brzinu i dovođenje na radnu brzinu u trećem stupnju povećanjem protoka i tlaka gorivog plina. Na izlazu iz aksijalnog kompresora ugrađen je sigurnosni ventil, spojen na ulaz u komoru za izgaranje. Pokretanje plinskoturbinske jedinice u prvom i drugom stupnju provodi se s otvorenim sigurnosnim ventilom, a prije odvajanja startnog uređaja, sigurnosni ventil se zatvara. Izum je usmjeren na smanjenje neravnoteže snage uzrokovane padom brzine vrtnje rotora turbine i temperaturnim skokom ispred njega, u trenutku isključenja startnog uređaja pri pokretanju plinskoturbinskog agregata. 2 ilustr.
Izum se odnosi na područje energetike, točnije na metode pokretanja i napajanja plinskoturbinskih jedinica (GTU) na plinovito gorivo.
Pokretanje plinske turbine je najkritičnija faza u organizaciji rada kompresorske stanice. Kako se rotori plinske turbine pokreću, počinju se povećavati dinamička opterećenja, a zbog zagrijavanja plinske turbine dolazi do toplinskih naprezanja u komponentama i dijelovima. Povećanje temperature dovodi do promjene linearnih dimenzija lopatica i diskova, promjene razmaka u protočnom dijelu i toplinskog širenja cjevovoda. Prilikom pokretanja rotora u prvom trenutku nije osiguran stabilan hidraulički klin u sustavu podmazivanja. U tijeku je proces prebacivanja rotora s radnih na instalacijske. Kompresor plinske turbine je blizu rada u zoni udara. Supercharger provodi veliki protok plina pri niskom stupnju kompresije, što dovodi do velikih brzina, posebice recirkulacijskih cjevovoda, što uzrokuje njihove vibracije. Tijekom procesa pokretanja, prije postizanja načina rada "plin u praznom hodu", vodovi osovine nekih vrsta plinskoturbinskih postrojenja prolaze kroz okretaje koji se podudaraju s vlastitom frekvencijom oscilacija, tj. kroz rezonantne zavoje.
Plinska turbina se pokreće pomoću uređaja za pokretanje. Za plinske crpne jedinice (GPU) koriste se turboekspanderi koji uglavnom rade na razlici tlaka prirodnog plina koji je prethodno pročišćen i smanjen na potrebni tlak. Turboekspanderi su instalirani na većini stacionarnih GPU-ova i nekih zrakoplova. Ponekad se kao radni fluid koristi komprimirani zrak.
Osim turboekspandera, naširoko se koriste električni starteri koji se koriste na brodskim GPU-ima. Određeni broj jedinica opremljen je hidrauličkim sustavom pokretanja. Snaga pokretačkih uređaja je 0,3-3,0% snage GPU-a, ovisno o vrsti GPU-a - zrakoplovni ili stacionarni.
Razmotrimo tipični 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 visokotlačne turbine događa se samo zbog rada uređaja za pokretanje.
U drugom stupnju, rotor turbopunjača zajedno okreću turboekspander i turbina. Kada brzina turbopunjača dostigne dovoljnu količinu za paljenje smjese pri 400-1000 o/min, uključuje se sustav paljenja i dovodi plin u pomoćni plamenik. Normalno paljenje pokazuje senzor - foto relej. Otprilike 1-2 minute nakon što temperatura dosegne približno 150-200°C, završava prvi stupanj zagrijavanja, kontrolni ventil se otvara za oko 5% i počinje drugi stupanj zagrijavanja koji traje 10 minuta. Zatim dolazi do postupnog povećanja broja okretaja visokotlačne turbine zbog otvaranja plinskog regulacijskog ventila. Kada brzina dosegne približno 50% nazivne vrijednosti, turbina ulazi u način rada "samohodni". Kada se spojka turboekspandera isključi, završava druga faza vrtnje rotora. U ovom trenutku, kako bi se izbjegao pad brzine rotora turbopunjača, kontrolni ventil za gorivo se naglo otvara za 2-3%.
U trećem stupnju rotor turbopunjača dodatno se ubrzava postupnim povećanjem dovoda plina u komoru za izgaranje. Istodobno se zatvaraju protunaponski ventili aksijalnog kompresora, turbo jedinica prelazi na rad s početnih pumpi na glavne, koje rotori jedinice pokreću u rotaciju. (A.N. Kozachenko. Rad kompresorskih stanica magistralnih plinovoda. - M.: Izdavačka kuća "Nafta i plin", 1999., str. 459).
Nedostaci poznatog tehničkog rješenja leže u skoku temperature produkata izgaranja u turbini nakon završetka drugog stupnja pokretanja. To dovodi do značajnih temperaturnih naprezanja u komponentama turbine, do smetnji lopatica rotora s brtvenim elementima radijalnih zazora i, kao posljedica toga, do smanjenja vijeka trajanja i učinkovitosti jedinice plinske turbine.
Poznate su metode pokretanja plinskoturbinskog agregata sa slobodnom energetskom turbinom okretanjem rotora plinskoturbinskog kompresora pomoću vanjskih startnih motora (elektromotori, parne turbine, pneumatski starteri, plinskoturbinski agregati). (Stacionarne plinske turbinske jedinice: Priručnik. / Ed. L.V. Arsenyev i V.G. Tyryshkin. - L.: Mashinostroenie, 1989., str. 376-377).
Najbliže tehničko rješenje predloženom izumu je metoda pokretanja i dovoda plina u elektranu prema RF patentu br. 2186224, koja uključuje okretanje kruto spojenih rotora turbopunjača i kompresora za punjenje plina s vanjskim motorom za pokretanje. (prva razina).
Nakon što spojeni rotori kompresora za povišenje tlaka i turbopunjača postignu početnu brzinu, otvara se kontrolni ventil plina za gorivo, plin za gorivo dovodi se u komoru za izgaranje i pali upaljačom. Produkti izgaranja prolaze kroz plinsku turbinu plinske turbine, okrećući gore navedene povezane rotore. Kako se spojeni rotori okreću i dostiže takozvani "samohodni" način rada, kruto spojeni rotori turbopunjača i kompresora za povišenje tlaka gorivog plina odspojeni su od motora za pokretanje kada postignu projektiranu brzinu (drugi stupanj), te se povećava stupanj otvorenosti regulacijskog ventila za gorivi plin, što povećava brzinu rotora turbopunjača. Daljnje povećanje radne brzine postiže se povećanjem protoka i tlaka gorivnog plina (treći stupanj).
Ovo tehničko rješenje također ima gore opisane nedostatke povezane s temperaturnim skokom kada je uređaj za pokretanje isključen.
Tehnički cilj predloženog izuma je razviti metodu pokretanja plinskoturbinske jedinice koja omogućuje smanjenje neravnoteže snage kada je startni uređaj isključen bez povećanja potrošnje goriva pri pokretanju plinskoturbinske jedinice. Ova neravnoteža snaga očituje se padom broja okretaja turbinskog vratila uz istovremeni značajan skok temperature ispred njega.
Tehnički rezultat postignut je činjenicom da u poznatom uređaju koji sadrži vanjski uređaj za pokretanje (turboekspander), kruto spojen preko automatske spojke na osovinu turbopunjača, uključujući kompresor, turbinu i komoru za izgaranje opremljenu gorivom kontrolni ventil, koji je zatvoren u prvoj fazi pokretanja, au drugom - lagano se otvara, s povećanjem stupnja otvaranja u trećoj fazi pokretanja, napravljene su promjene za promjenu plina algoritam za pokretanje turbine, naime;
Na izlazu iz aksijalnog kompresora ugrađen je sigurnosni ventil, spojen na ulaz u komoru za izgaranje:
Pokretanje jedinice plinske turbine u prvom i drugom stupnju provodi se s otvorenim sigurnosnim ventilom;
Kada se postigne "samohodni" način rada, sigurnosni ventil se zatvara prije isključivanja ekspandera.
Kao rezultat dodatnog protoka zraka kroz turbinu, smanjuje se neravnoteža snage koja nastaje kada je ekspander isključen, dok povećanje protoka zraka kroz komoru za izgaranje kada je ventil za kontrolu goriva (FVR) prepuhan dovodi do značajnog smanjenje temperaturnog skoka ispred turbo motora.
Slika 1. prikazuje dijagram koji provodi predloženu metodu pokretanja plinske turbine, a slika 2. prikazuje raspored pokretanja plinske turbine prema prototipu i prema predloženom izumu.
Glavni elementi kruga su: 1 - vanjski startni motor (ekspander); 2 - otpuštanje spojke; 3 - aksijalni kompresor; 4 - regulacijski ventil plina goriva; 5 - pogonska plinska turbina; 6 - sigurnosni ventil; 7 - komora za izgaranje; 8 - energetska plinska turbina; 9 - opterećenje; 10 - sustav automatskog upravljanja (ACS).
Predložena metoda pokretanja plinske turbine provodi se automatski prema ACS naredbama kako slijedi. Vanjski startni motor 1 okreće kruto spojene osovine aksijalnog kompresora 3 i pogonske plinske turbine 5 kroz spojku za oslobađanje 2. Kontrolni ventil gorivog plina 4 je zatvoren, a ventil za rasterećenje 6 je otvoren. Zrak, koji prolazi kroz komora za izgaranje 7, ulazi u pogonsku turbinu, okrećući gore spomenute komunikacijske osovine zbog ekspanzije plina. Kada spojeni rotori postignu startnu brzinu, regulacijski ventil goriva 4 se lagano otvara, a kada se postigne "samohodni" način rada, rasterećeni ventil se zatvara, dok spojka za oslobađanje 2 automatski odvaja rotor startnog motora 1. od spojenih rotora aksijalnog kompresora 3 i pogonske plinske turbine 5, te se povećava stupanj otvaranja regulacijskog ventila goriva.
Razmatrani način pokretanja može se primijeniti na bilo koje plinskoturbinsko postrojenje koje koristi startni turboekspander.
Na slici 2. prikazane su karakteristike pokretanja plinskoturbinskog agregata GTK-10 s algoritmom pokretanja prema prototipu (poznat) i prema predloženom algoritmu.
Iz analize grafikona na slici 2 možemo zaključiti da se nakon isključivanja startnog turboekspandera (pri brzini vrtnje od 2600-2800 okretaja u minuti - "samohodni" način rada), pad brzine rotora turbopunjača smanjio s 300 okretaja u minuti do 50 okretaja u minuti, tj. 6 puta, a skok temperature produkata izgaranja smanjio se za 50°C, tj. dvaput.
Dakle, predloženi algoritam za pokretanje plinske turbine omogućuje značajno smanjenje padova u brzini osovine turbokompresora i skok temperature produkata izgaranja u turbini, što zauzvrat osigurava povećanje životnog vijeka plina turbine i smanjenje potrošnje goriva.
Implementacija predloženog algoritma za pokretanje plinskoturbinske jedinice provedena je u srpnju 2007. godine na plinskoj crpnoj jedinici (GPU) GTNR-16, a planirana je implementacija na GPU GTK-10.
Metoda pokretanja postrojenja energetske plinske turbine, koja uključuje tri stupnja, au prvom i drugom stupnju, kruto spregnuti rotori turbopunjača vrte se vanjskim uređajem za pokretanje, na primjer, ekspanderom, kruto povezanim putem automatskog spojka na osovinu turbopunjača, uključujući kompresor, turbinu i komoru za izgaranje opremljenu gorivom - kontrolni ventil, zatvoren u prvom stupnju pokretanja i lagano otvoren u drugom, odvaja kruto spojene kompresor i turbinu rotora iz uređaja za pokretanje kada postignu projektiranu brzinu i dovođenje na radnu brzinu u trećem stupnju povećanjem protoka i tlaka gorivnog plina, naznačeno time da je na izlazu iz aksijalnog kompresora ugrađen sigurnosni ventil , spojen na ulaz komore za izgaranje, a pokretanje plinskoturbinske jedinice u prvom i drugom stupnju provodi se s otvorenim sigurnosnim ventilom, a prije odvajanja startnog uređaja, sigurnosni ventil se zatvara.
Plinske turbine (GTU) su jedna, relativno kompaktna jedinica u kojoj energetska turbina i generator rade u tandemu. Sustav je postao raširen u tzv. malom energetskom sektoru. Izvrstan za opskrbu električnom i toplinskom energijom velikih poduzeća, udaljenih naselja i drugih potrošača. U pravilu, jedinice plinske turbine rade na tekuće gorivo ili plin.
Na čelu napretka
U povećanju energetskog kapaciteta elektrana vodeću ulogu imaju plinskoturbinske jedinice i njihova daljnja evolucija - plinske jedinice s kombiniranim ciklusom (CCGT). Tako su u američkim elektranama od ranih 1990-ih više od 60% puštenih u rad i moderniziranih kapaciteta već plinskoturbinske jedinice i plinskoturbinske jedinice kombiniranog ciklusa, au nekim je zemljama u nekim godinama njihov udio dosegao 90%.
Jednostavne plinske turbine također se grade u velikom broju. Plinska turbina - mobilna, ekonomična u radu i laka za popravak - pokazala se kao optimalno rješenje za pokrivanje vršnih opterećenja. Na prijelazu stoljeća (1999.-2000.) ukupni kapacitet plinskoturbinskih jedinica dosegao je 120 000 MW. Za usporedbu: 80-ih godina ukupni kapacitet sustava ove vrste bio je 8000-10 000 MW. Značajan dio plinskoturbinskih jedinica (više od 60%) bio je predviđen za rad u sklopu velikih binarnih kombiniranih postrojenja prosječne snage oko 350 MW.
Povijesna referenca
Teorijske osnove korištenja parno-plinskih tehnologija dovoljno su detaljno proučavane u našoj zemlji još ranih 60-ih. Već u to vrijeme postalo je jasno: opći put razvoja termoenergetike povezan je upravo s parno-plinskim tehnologijama. Međutim, za njihovu uspješnu implementaciju bila su potrebna pouzdana i visoko učinkovita plinskoturbinska postrojenja.
Upravo je značajan napredak u izgradnji plinskih turbina odredio suvremeni kvalitativni skok u termoenergetici. Brojne strane tvrtke uspješno su riješile problem stvaranja učinkovitih stacionarnih plinskoturbinskih postrojenja u vrijeme kada su domaće vodeće organizacije u komandnoj ekonomiji promicale najmanje perspektivne tehnologije parnih turbina (STU).
Ako su 60-ih plinskoturbinske jedinice bile na razini od 24-32%, onda su kasnih 80-ih najbolje stacionarne plinskoturbinske jedinice već imale učinkovitost (kada su se koristile autonomno) od 36-37%. To je omogućilo stvaranje CCGT jedinica na njihovoj osnovi, čija je učinkovitost dosegla 50%. Do početka novog stoljeća ta je brojka iznosila 40%, au kombinaciji s plinskim motorima s kombiniranim ciklusom - čak 60%.
Usporedba parnoturbinskih i kombiniranih plinskih postrojenja
U postrojenjima s kombiniranim ciklusom koja se temelje na plinskim turbinama neposredna i realna perspektiva je postizanje učinkovitosti od 65% ili više. U isto vrijeme, za parna turbina (razvijena u SSSR-u), samo ako se uspješno riješi niz složenih znanstvenih problema vezanih uz proizvodnju i korištenje superkritične pare, može se nadati učinkovitosti ne većoj od 46-49 %. Dakle, u smislu učinkovitosti, sustavi parne turbine su beznadno inferiorni u odnosu na sustave kombiniranog ciklusa.
Elektrane s parnim turbinama također su znatno inferiornije u pogledu troškova i vremena izgradnje. Godine 2005. na svjetskom energetskom tržištu cijena 1 kW za CCGT jedinicu kapaciteta 200 MW ili više iznosila je 500-600 USD/kW. Za CCGT jedinice manjeg kapaciteta trošak je bio u rasponu od 600-900 $/kW. Snažne plinske turbine odgovaraju vrijednostima od 200-250 $/kW. Sa smanjenjem snage jedinice, njihova cijena raste, ali obično ne prelazi 500 $/kW. Te su vrijednosti nekoliko puta manje od cijene kilovata električne energije iz sustava parne turbine. Primjerice, cijena instaliranog kilovata za kondenzacijske parnoturbinske elektrane kreće se od 2000-3000 $/kW.
Instalacija uključuje tri osnovne jedinice: komoru za izgaranje i kompresor zraka. Štoviše, sve jedinice su smještene u montažnoj jednoj zgradi. Rotori kompresora i turbine međusobno su kruto povezani, oslonjeni na ležajeve.
Komore za izgaranje nalaze se oko kompresora (npr. 14 komada), svaka u svom zasebnom kućištu. Zrak ulazi u kompresor kroz ulaznu cijev, a zrak napušta plinsku turbinu kroz ispušnu cijev. Kućište plinske turbine temelji se na moćnim nosačima postavljenim simetrično na jednom okviru.
Princip rada
Većina instalacija plinskih turbina koristi princip kontinuiranog izgaranja ili otvorenog ciklusa:
- Najprije se odgovarajućim kompresorom pumpa radni fluid (zrak) pri atmosferskom tlaku.
- Zrak se zatim komprimira na viši tlak i usmjerava u komoru za izgaranje.
- Opskrbljuje se gorivom koje gori pod stalnim pritiskom, osiguravajući stalnu opskrbu toplinom. Uslijed izgaranja 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 ekspandirajući do atmosferskog tlaka obavlja koristan rad (okrećući turbinu koja stvara električnu energiju).
- Nakon turbine plinovi se ispuštaju u atmosferu, preko koje se zatvara radni ciklus.
- Razliku u radu turbine i kompresora uočava električni generator smješten na zajedničkoj osovini s turbinom i kompresorom.
Postrojenja s povremenim izgaranjem
Za razliku od prethodnog dizajna, jedinice s povremenim izgaranjem koriste dva ventila umjesto jednog.
- Kompresor tjera zrak u komoru za izgaranje kroz prvi ventil dok je drugi ventil zatvoren.
- Kada tlak u komori za izgaranje poraste, prvi ventil se zatvara. Kao rezultat toga, volumen komore postaje zatvoren.
- Kada su ventili zatvoreni, gorivo izgara u komori; prirodno se njegovo izgaranje događa pri konstantnom volumenu. Zbog toga se dodatno povećava tlak radne tekućine.
- Zatim se otvara drugi ventil, a radni fluid ulazi u plinsku turbinu. U tom slučaju će se tlak ispred turbine postupno smanjivati. Kada se približi atmosferskom tlaku, treba zatvoriti drugi ventil, otvoriti prvi i ponoviti slijed radnji.
Prelazeći na praktičnu provedbu jednog ili drugog termodinamičkog ciklusa, dizajneri se moraju suočiti s mnogim nepremostivim tehničkim preprekama. Najtipičniji primjer: kada je vlažnost pare veća od 8-12%, gubici u protočnom dijelu naglo rastu, povećavaju se dinamička opterećenja i dolazi do erozije. To u konačnici dovodi do uništenja putanje protoka turbine.
Kao rezultat ovih ograničenja u energiji (za dobivanje rada), naširoko se koriste samo dva osnovna termodinamička Rankineova ciklusa i Braytonov ciklus. Većina elektrana izgrađena je na kombinaciji elemenata ovih ciklusa.
Rankineov ciklus koristi se za radne fluide koji u procesu izvođenja ciklusa zaokružuju parna postrojenja u takvom ciklusu. Za radne tekućine koje se u stvarnim uvjetima ne mogu kondenzirati i koje nazivamo plinovima koristi se Braytonov ciklus. U ovom ciklusu rade plinske turbine i motori s unutarnjim izgaranjem.
Potrošeno gorivo
Velika većina jedinica plinskih turbina projektirana je za rad na prirodni plin. Ponekad se tekuće gorivo koristi u sustavima male snage (rjeđe - srednje snage, vrlo rijetko - velike snage). Novi trend je prijelaz kompaktnih sustava plinskih turbina na korištenje čvrstih zapaljivih materijala (ugljen, rjeđe treset i drvo). Ovakvi trendovi posljedica su činjenice da je plin vrijedna tehnološka sirovina za kemijsku industriju, gdje je njegova uporaba često isplativija nego u energetskom sektoru. Proizvodnja plinskih turbinskih jedinica koje mogu učinkovito raditi na krutom gorivu aktivno dobiva na zamahu.
Razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i plinske turbine
Temeljna razlika između kompleksa plinskih turbina svodi se na sljedeće. U motoru s unutarnjim izgaranjem procesi kompresije zraka, izgaranja goriva i ekspanzije produkata izgaranja odvijaju se unutar jednog strukturnog elementa koji se naziva cilindar motora. U jedinici plinske turbine ovi su procesi odvojeni u zasebne strukturne cjeline:
- kompresija se provodi u kompresoru;
- izgaranje goriva, odnosno, u posebnoj komori;
- ekspanzija se provodi u plinskoj turbini.
Zbog toga su plinskoturbinske jedinice i motori s unutarnjim izgaranjem strukturno vrlo slični, iako rade prema sličnim termodinamičkim ciklusima.
Zaključak
Razvojem male energetike i povećanjem njezine učinkovitosti plinskoturbinski i parnoturbinski sustavi zauzimaju sve veći udio u ukupnom energetskom sustavu svijeta. Sukladno tome, operater plinske turbine je sve traženiji. Slijedeći svoje zapadne partnere, brojni ruski proizvođači ovladali su proizvodnjom isplativih plinskoturbinskih jedinica. Prva elektrana kombiniranog ciklusa nove generacije u Ruskoj Federaciji bila je Sjeverozapadna CHPP u St.
Za početak samostalnog rada, turbopunjač plinskoturbinske jedinice mora dobiti određenu brzinu vrtnje. To se postiže pomoću neke vrste pokretačkog motora koji ubrzava rotor turbopunjača. Tijekom procesa pokretanja, pri 2700-2900 o/min, uključuje se dovod goriva, a pri 2900-3200 o/min gorivo se pali. Nakon što se gorivo zapali, paljenje se isključuje i izgaranje u komorama se kontinuirano održava. S porastom temperature plina i povećanjem broja okretaja povećava se snaga koju stvara turbina, a sukladno tome smanjuje se i snaga motora za pokretanje. Nakon postizanja približno 5600 o/min starter se isključuje i turbopunjač radi samostalno, pri čemu snaga turbine u potpunosti osigurava snagu koju troši kompresor.
Asinkroni trofazni izmjenični motori imaju nepovoljnu karakteristiku okretnog momenta u funkciji brzine vrtnje, pa njihova instalirana snaga mora biti veća od snage koju troši turbopunjač u razdoblju pokretanja. AC motori s faznim prstenovima imaju najbolje startne karakteristike. Smanjenje snage asinkronog elektromotora može se postići korištenjem kontinuirano varijabilnog prijenosa između motora i turbopunjača. Kontinuirano varijabilni prijenos može biti hidraulički ili s potisnim pumpama i hidrauličkim motorima, ili s fluidnim spojkama i hidrodinamičkim transformatorima.
U vrlo velikim plinskim turbinama s teškim rotorima, snaga i dimenzije motora za izmjenično pokretanje dostižu neprihvatljive vrijednosti, zbog čega se za pokretanje moraju koristiti istosmjerni elektromotori povoljnijih karakteristika. Stanice u pravilu nemaju istosmjerne izvore velike snage, pa u takvim slučajevima sustav za pokretanje uključuje zasebnu generatorsko-pogonsku jedinicu koja pretvara izmjeničnu struju u istosmjernu. Dodatna prednost ovakvog sustava je mogućnost dugotrajnog uhodavanja turbopunjača pri bilo kojoj brzini unutar dopuštene snage električnog sustava, što je vrlo dragocjeno pri postavljanju prototipne jedinice i pri slušanju turbo jedinica nakon popravka.
Da bi se smanjila veličina startnih elektromotora, oni su obično značajno preopterećeni. Stoga, kako bi se izbjeglo neprihvatljivo pregrijavanje pokretačkih motora, broj uzastopnih pokretanja u slučaju neuspješnih 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 jedinica plinske turbine počinje samostalno raditi, stoga, kako bi se izbjeglo neprihvatljivo prekoračenje startne brzine motora, između njega su ugrađene spojke za rad. i jedinica plinske turbine.
Električni start se napaja iz mreže izmjenične struje od 380 V, 50 Hz. Koristi se asinkroni motor s konstantnom brzinom ili sinkroni motor BDPT-1966.
Pokretanje 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 velik broj sustava, kako sama jedinica tako i pomoćni sustavi kompresorske stanice, čija priprema i ispravna konfiguracija određuju koliko pouzdano ovo pokretanje se provodi.
Kako se rotori plinske turbine pokreću, počinju se povećavati dinamička opterećenja, a zbog pregrijavanja plinske turbine dolazi do toplinskih naprezanja u komponentama i dijelovima. Povećanje toplinskog stanja dovodi do promjene linearnih dimenzija lopatica i diskova, promjene razmaka u protočnom dijelu i toplinskog širenja cjevovoda. Prilikom pokretanja rotora u prvom trenutku nije osiguran stabilan hidraulički klin u sustavu podmazivanja. U tijeku je proces prebacivanja rotora s radnih na instalacijske. GPU kompresor je blizu rada u zoni prenapona. Supercharger provodi veliki protok plina pri niskom omjeru kompresije, što dovodi do velikih brzina, posebno za recirkulacijske cjevovode, i uzrokuje njihove vibracije.
GPU se pokreće pomoću uređaja za pokretanje. Glavni uređaji koji se koriste su turboekspanderi, koji rade uglavnom zahvaljujući tlaku prirodnog plina koji je prethodno pročišćen i smanjen na potreban tlak.
Dijagram veze između startnog uređaja i gorivnog plina prikazan je na sl. 6.9
.
Riža. 6.9 Shematski dijagram sustava goriva i startnog plina:
TG – loživi plin; PG – startni plin; VZK – komora za usis zraka;
TD – turboekspander; OK – aksijalni kompresor; KS – komora za izgaranje;
HPT – visokotlačna turbina; LPT – niskotlačna turbina;
N – kompresor; REG – regenerator; RK – regulacijski ventil
Pokretanje jedinice plinskog kompresora uključuje nekoliko faza.
Prva razina– pripremni, kada se provodi vanjski pregled opreme kako bi se isključili strani predmeti, 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 dovodnim vodovima startnog plina do turboekspandera su zatvoreni i gorivi plin ulazi u komoru za izgaranje.
Druga faza– simulacijom se provjeravaju zaštitni i alarmni sustavi GPU-a. U ovom slučaju zaštite su podijeljene u dvije skupine: CS zaštita i GPU zaštita.
Zaštita Ustavnog suda– to je zaštita radionice od onečišćenja plinom, požara, zaštita od tlaka na izlazu iz stanice, zaštita od izvanrednih situacija na trasi, zaštita od temperature plina na ulazu u plinovod itd.
GPU zaštita– ovo je zaštita od tlaka ulja u uljnim sustavima (bar
0,2 kg/cm 2), zaštita od gašenja plamenika u komori za izgaranje, zaštita od prekoračenja broja okretaja osovine ekspandera, HPT, LPT, zaštita od temperature ležaja, zaštita od vibracija i dr.
Treća faza– izravno pokretanje jedinice plinskog kompresora.
Razmotrimo tipični algoritam za pokretanje stacionarnog plinskog kompresora s punim tlakom. U prvoj fazi, rotacija rotora aksijalnog kompresora i visokotlačne turbine događa se samo zbog rada uređaja za pokretanje, a sam algoritam se odvija na sljedeći način. Nakon pritiska na tipku "Start", uključuje se pumpa za pokretanje ulja za podmazivanje i pumpa za brtvljenje ulja. Ventil br. 4 se otvara i s otvorenim ventilom br. 5, krug superpunjača se čisti 15-20 s. Nakon zatvaranja ventila br. 5 i povećanja tlaka u kompresoru na razliku od 0,1 MPa, ventil br. 1 otvara ventil br. 1, zatvara ventil br. 4, a otvara jedinični ventil br. 6. U ovom slučaju slučaju, krug superpunjača je ispunjen, a takvo pokretanje se naziva pokretanje jedinice plinskog kompresora.s ispunjenim obrisom.
Zatim se uključuje uređaj za okretanje, uključuje zupčanik turboekspandera, otvara se hidraulički ventil broj 13. Zatim se otvara ventil 11, zatvara ventil 10 i isključuje uređaj za okretanje. Jedinica se počinje okretati od turboekspandera.
Prva faza promocije završava otvaranjem slavine br. 12 i zatvaranjem slavine br. 9.
U drugom stupnju, rotori se vrte zajedno s turboekspanderom i turbinom. Kada brzina turbopunjača dosegne 400÷1000 o/min, uključuje se sustav paljenja i otvara se ventil, opskrbljujući plinom uređaj za paljenje komore za izgaranje. Nakon paljenja, nakon 2-3 sekunde, otvara se ventil br. 14 i počinje dovod plina u pomoćni plamenik. Nakon 1-3 minute. nakon što temperatura dosegne ~ 150-200 °C, završava prvi stupanj zagrijavanja, regulacijski ventil RK se otvara za 1,5-2 mm i počinje drugi stupanj zagrijavanja koji traje ~ 40 s. Zatim dolazi do postupnog povećanja brzine vrtnje visokotlačne turbine zbog otvaranja regulacijskog ventila RK. Kada brzina dosegne ~ 40÷45% nazivne vrijednosti, turbina ulazi u način rada. Ventili broj 13 i 11 su zatvoreni, ventil broj 10 je otvoren.Kada se spojka turboekspandera isključi, druga faza vrtnje rotora završava.
U trećem stupnju rotor turbopunjača dodatno se ubrzava postupnim povećanjem dovoda plina u komoru za izgaranje. Istodobno se zatvaraju protunaponski ventili aksijalnog kompresora, turbo jedinica se prebacuje na rad s početnih uljnih pumpi na glavne, koje rotori jedinice pokreću u rotaciju.
Kada se brzina rotacije poveća na vrijednost jednaku brzini rotacije drugih kompresora u radionici, otvara se ventil br. 2, a ventil jedinice br. 6 se zatvara i uključuje se zaslon "Jedinica u radu".
Zabranjeno je pokretanje jedinice:
Ako bilo koja, barem jedna zaštita na GPU-u ne radi;
Kada dijelovi i cjevovodi jedinice nisu u potpunosti sastavljeni;
Ako postoji povećani pad ulja na filtrima, nezadovoljavajuća kvaliteta ulja ili curenje ulja za podmazivanje i ulja brtvila;
Ako nedostaci pronađeni na jedinici za pumpanje plina nisu otklonjeni prije odnošenja na popravak;
Tijekom prisilnog i hitnog zaustavljanja dok se ne otkloni uzrok koji je uzrokovao zaustavljanje;
U slučaju kvara sustava za gašenje požara i kontrolu plina, kao i kada se otkriju zauljena područja plinskih kanala i zračnih kanala.