Вплив параметрів зовнішнього повітря на роботу газотурбінної установки

Теорія газотурбінних установок показує, що вони дуже чутливі до зміни термодинамічних параметрів циклу і, зокрема, до зміни температури і тиску зовнішнього повітря на вході в осьовий компресор установки. В умовах експлуатації це проявляється у вигляді зміни зовнішніх характеристик газотурбінної установки. При зміні тиску зовнішнього повітря і незмінною його температурі, потужність установки змінюється прямо пропорційно зміні зовнішнього тиску. Однак коливання тиску зовнішнього повітря на окремих компресорних станціях і від станції до станції відбуваються в порівняно малих межах, що і визначає малий вплив зміни тиску зовнішнього повітря на роботу ГТУ на магістральних газопроводах, розташованих в більшості випадків в рівнинній місцевості.

Значно більше в умовах КС має місце коливання температури зовнішнього повітря, особливо сезонні. Відхилення температури зовнішнього повітря від розрахункової (t1 = +15 0 C) викликає значну зміну ефективної потужності ГТУ, а в окремих крайніх випадках (внаслідок обмеження температури газів перед турбіною) може викликати і вимушену зупинку агрегату, щоб не вивести з ладу лопатки і диски газової турбіни.

Зміна температури зовнішнього повітря Т1 при незмінній температурі газів перед турбіною Т 3 призводить до того, що зі зниженням Т1 потужність і частота обертання валу ГТУ зростають, зростає і продуктивність агрегату. Одночасно з цим зростає ККД установки. Підвищення Т1 призводить до падіння потужності і зниження частоти обертання валу ГТУ. Підвищення потужності ГТУ до номінального значення тут можна здійснити лише за рахунок підвищення температури газів перед турбіною понад розрахункової.

При незмінній номінальній потужності установки, зниження температури зовнішнього повітря призводить до зменшення до зниження температури газів перед турбіною і зменшення частоти обертання валу ГТУ; ККД установки при цьому підвищується. Підвищення температури зовнішнього повітря призводить до зворотного ефекту.

Велика чутливість газотурбінних установок до зміни температури зовнішнього повітря, що надходить на вхід осьового компресора, пояснюється тим що, по-перше, багато сучасних ГТУ мають постійні прохідні перетини газової турбіни і осьового компресора, що виключає можливість регулювання витрати повітря при незмінних параметрах робочого тіла ГТУ і , по-друге, сучасні установки характеризуються великим значенням співвідношення робіт стиснення і розширення l = h к / hт = 0,60- 0,70 на номінальному режимі роботи і l @ 0,80 на часткових на навантаженнях.

Різкого впливу зміни температури зовнішнього повітря на режим роботи і показники ГТУ можна значно зменшити за рахунок застосування поворотного вхідного направляючого апарату в осьовому компресорі, що і здійснюється в конструкціях сучасних газотурбінних установках (в основному авіаційного типу).

Вплив зміни граничних температур циклу на показники ГТУ можна простежити на основі розгляду наступних співвідношень.

Індикаторна потужність ГТУ, як відомо, визначається співвідношенням:

де q - співвідношення граничних температур циклу; n - частота обертання валу ГТУ; pk - співвідношення тисків стиснення по осьового компресора.

Наведені співвідношення показують, що потужність ГТУ в значній мірі залежить від співвідношення граничних температур циклу ГТУ. Приріст потужності ГТУ при малих відхиленнях співвідношень граничних температур циклу (Dq) від номінального значення (q0) при незмінній частоті обертання (n = idem) одно:

Разом з тим, зміна співвідношення граничних температур циклу (Dq) буде різним у залежності від зміни кожної з граничних температур циклу (Т1 і Т3):

Зі співвідношення (1.80) випливає, що при будь-яких значеннях pk. hi, k. hi, т вельми невелика зміна температури зовнішнього повітря (Т1) може викликати зміну потужності ГТУ в кілька разів більше, ніж зміна температури газів перед турбіною (Т3).

Аналогічні міркування можуть бути проведені і для оцінки впливу граничних температур циклу на зміну ККД ГТУ.

Для отримання розрахункового співвідношення по визначенню зміни потужності установки тільки від зміни температури зовнішнього повітря, приймемо ряд спрощують передумов: постійне значення відносних ККД компресора і турбіни, постійне значення співвідношень тисків стиснення, постійне значення температури газів перед турбіною і витрати робочого тіла по установці. Змінюється тільки температура зовнішнього повітря.

де Т1 - поточне значення початкової абсолютної температури зовнішнього повітря; Т0 - початкова (розрахункове) значення температури повітря в умовах номінального режиму (Т0 = 288,2 К); l0 - співвідношення потужностей компресора і газової турбіни на розрахунковому режимі роботи ГТУ.

Питому потужність власне газової турбіни (Ne, т / Gк) можна вважати незалежною від температури зовнішнього повітря перед компресором, але продуктивність самого компресора залежить від температури зовнішнього повітря (в умовах сталості об'ємної продуктивності компресора і сталості тиску зовнішнього повітря):

де Dt1 - зміна температури зовнішнього повітря порівняно з номінальним режимом; індексом «0» відзначений номінальний режим роботи:

Поточне (Ne) і номінальне (Ne, 0) значення потужності газотурбінної установки визначаються при цьому наступними співвідношеннями:

Звідси відносна зміна потужності газотурбінної установки при зміні температури зовнішнього повітря визначається співвідношенням [4]:

Співвідношення потужностей осьового компресора і газової турбіни на номінальному режимі зазвичай становить l0 »0,65. Це означає, що теоретичне співвідношення потужностей газотурбінної установки при наінісшей температурі зовнішнього повітря (t1 = - 35 0 C; Dt1 = - 50 0 C) і найвищою (t1 = + 35 0 C; Dt1 = +20 0 C) становить:

Величина відносини номінальних потужностей газової турбіни при температурі повітря + 15 0 С (звичайна розрахункова температура, при якій прийнято визначати номінальну потужність ГТУ) і при температурі - 15 0 С, тобто в умовах зимового періоду експлуатації ГТУ:

Це означає, що за рахунок зниження температури повітря на вході в осьовий компресор можна здійснити значну форсировку газотурбінного двигуна.

Все що випускаються в нашій країні газотурбінні установки проектуються на стандартну температуру зовнішнього повітря (+ 15 0 С) і стандартний тиск зовнішнього повітря Р = 0,1 МПа, але експлуатуються в самих різних кліматичних умовах.

Теорія турбомашин дає можливість привести показники експлуатованих в різних кліматичних умовах ГТУ до єдиної розрахункової умов, за так званим формулами приведення.

Зазвичай вплив температури і тиску атмосферного повітря враховується шляхом побудови універсальних характеристик двигуна, що представляють собою графічні зв'язку між параметрами подібності.

Незалежними змінними в цих умовах є величини: р1. Т1. витрата палива В і частота обертання n; залежними - G, N, T3. pk. h; може бути встановлено обмеження по температурі газів перед турбіною Т 3 і по потужності установки N. Відповідно до цього поділяються і параметри подібності - на незалежні і залежні [10].

Наведена відносна потужність на муфті нагнітача:

Відносні наведені температури по трактах ГТУ:

Приведена витрата повітря через осьовий компресор:

Наведені тиску по трактах ГТУ:

Наведена частота обертання:

де Т1 і р1 - відповідно фактична температура і тиск зовнішнього повітря; індексом «0» відзначено номінальне (розрахункове) значення параметра.

Кожен відносний параметр, приведений до нормальних умов залежить від наведеної відносної потужності, що дозволяє використовувати в розрахунках такі спрощені співвідношення [6]:

де Т3, ТВД, пр. - наведена відносна температура газів на вході в газову турбіну;

Наведена температура на виході газової турбіни пов'язана з наведеним значенням потужності ГТУ співвідношенням:

Наведений ККД установки пов'язаний зі зміною відносної потужності ГТУ співвідношенням:

Приведена витрата паливного газу:

Наявність і використання наведених співвідношень дозволяє зіставити проектні та фактичні показники експлуатованих установок незалежно від району їх розташування і визначати ефективність їх використання на КС.

Наявність співвідношень 1.93 і 1.94 дозволяє побудувати графічні зв'язку між потужністю ГТУ і температурою газів перед ТВД або за ТНД і по зміні температур або потужності судити про зміну іншого параметра, а також про зміну відносного ККД або відносному витраті паливного газу (співвідношення 1.95 і 1.96).

Наприклад, при програмою регулювання Т30 = idem зі зміною температури навколишнього повітря Т1. доцільно використовувати такі параметричні зв'язку:

Відносне зниження потужності складе (р1 = idem) [9]:

ці результати досить добре узгоджуються з досвідченими даними.

Певний інтерес представляє оцінка впливу і зміни тиску зовнішнього повітря на потужність установки. Так якщо за опорні значення температур і тиску прийняти їх показники на рівні моря, то на підставі обробки існуючих даних про зміну цих параметрів зі зміною висоти над рівнем моря можна отримати наступні залежності [2]:

де h - висота над рівнем моря, км.

Припустимо, як і раніше, що при зміні зовнішнього тиску і температури, незмінними залишаються параметри Т3 і pк.

Тиск повітря перед осьовим компресором р1 саме не входить в загальні термодинамічні співвідношення. однак за умови, що pк = idem воно буде впливати на витрату повітря через компресор. У зв'язку з цим можна записати:

Відповідно, ефективна потужність установки на висоті h буде визначатися співвідношенням:

де z- коефіцієнт характеризує величину гідравлічних опорів по тракту установки.

Розрахунки показують, що для високогірних ділянок прокладки газопроводів, зниження потужності установки в відносному вигляді можна характеризувати співвідношенням (з урахуванням рівнянь 1. 101):

Рівняння (1. 104) дає можливість оцінити наскільки може знижуватися потужність ГТУ в високогірних районах прокладки газопроводів (Рис. 1. 22).

Для многовальних ГТУ додатковою умовою зв'язку зовнішніх показників ГТУ і параметрами зовнішнього повітря є баланс потужності по турбокомпресору. На Рис. 1.23 показаний характер зміни ефективної потужності трехвальние двигуна простої схеми з силовою турбіною низького тиску в залежності від температури зовнішнього повітря t1.

Розрахунки показують, що регенерація тепла відхідних газів вельми слабо впливає на зміну зовнішніх характеристик двигуна при збільшенні або зменшенні величини Т1.

7 Контрольні питання

1 Що називається газотурбінним двигуном?

2 Опишіть робочий процес найпростішої газотурбінної установки

3 Як можна збільшити ККД газотурбінної установки?

4 Яким співвідношенням визначається можливість регенерації тепла відхідних газів в ГТУ?

5 Опишіть дійсний цикл ГТУ

6 Яким чином можна підвищити економічність ГТУ?

7 ГТУ з регенерацією тепла відхідних газів

8 Як впливають параметри зовнішнього повітря на роботу ГТУ?

2 Уваров В.В. Газові турбіни і газотурбінні установки, 1970 г.