Одновальная приводная ГТУ

Такие ГТУ изготавливались в 50-х годах за рубежом и в России и кое-где эксплуатируются по сегодняшний день. Особенность одновальной ГТУ, имеющей в качестве нагрузки нагнетатель (газовый компрессор), со­стоит в соединении на едином валу двух компрессоров, работающих на различные гидравлические сети. Баланс мощностей на всех рабочих режи­мах возникает при почти неизменной температуре перед турбиной. К от­клонению температуры в ту или иную сторону приводит лишь изменение КПД турбомашин, механических и других потерь. Достоинство схемы - в конструктивной простоте, а при регенеративном цикле - в сохранении по­стоянного КПД ГТУ при уменьшении нагрузки до 70% и ниже. Недостат­ки такой ГТУ являются продолжением ее достоинств. В переходном про­цессе набора нагрузки неизбежен заброс начальной температуры перед турбиной. Наряду с перегревом турбины возникает опасность попадания циклового компрессора в область срывных режимов. Температура наруж­ного воздуха влияет на частоту вращения осевого компрессора, а через единый вал - на частоту вращения ротора нагнетателя, связанную с его производительностью. При снижении нагрузки π_к осевого компрессора падает слабо и при n_отн ≈ 0,8 рабочая линия приближается к помпажу (рис. 1.4, кривая 1). Область работы нагнетателя сужается (рис. 1.5). Этим же объясняется невозможность запуска такой ГТУ при заполнен­ном корпусе нагнетателя газом полного давления (линия рабочих ре­жимов на рис. 1.4. проходила бы в области помпажа). Оснащение осевого компрессора и нагнетателя поворотными направляющими аппаратами ос­лабит эти недостатки, но не снимет их полностью.

На газопроводах нашей страны и за рубежом было установлено небольшое число одновальных однокомпрессорных ГТУ с регене­раторами и без них, а также конвертированных авиационных двигателей. Преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников. Однако эти достоинства отступают на задний план перед недостатками - жесткая связь по частоте вращения центробежного нагнетателя и воздушного осевого компрессора, невозможность пуска агрегата под давлением в корпусе нагнетателя, необходимость для нормальной эксплуатации использования поворотных направляющих лопаток в компрессоре и нагнетателе. Одновальные ГТУ называют также простым блокированным агрегатом. Блокирование (жесткое соединение) на одном валу компрессора и потребителя мощности целесообразно для энергетических установок, в том числе газотурбинных электростанций газопроводов, где возможно несение любой рабочей нагрузки при неизменной частоте вращения.

Двухвальные однокомпрессорные ГТУ состоят из газогенераторной части исвободной силовой турбины, что дает значительно большую гибкость для эксплуатации, благодаря независимой работе газового нагнетателя и воздушного компрессора. Изменение давления перекачиваемого газа сказывается только на работе нагнетателя и немного на работе силовой турбины, но не влияет на газогенератор. Колебания же температуры атмосферного воздуха влияют на работу только турбокомпрессорного вала и мало отражаются на работе силового вала. В двухвальных и трехвальных газопере­качивающих агрегатах выделение турбины полезной мощности вместе с нагнетателем на отдельный вал кардинально улучшает их внешние характеристики, хотя при этом возрастает число турбомашин и конструктивная сложность агрегата. Для ГТУ с регенерацией теплоты, когда обычно π_к £ 8...9, общепризнано, что наиболее целесообразной схемой является двухвальная. В ГТУ простого цикла для достижения высокой экономичности необходима большая степень сжатия. А при большом отличии давлений в начале и в конце компрессора резко отличаются объемные расходы, что неблагоприятно для создания единой эффективной проточной части компрессора. На нерасчетных режимах происходит и большое рассогласование работы ступеней. Необходимо иметь несколько рядов поворотных направляющих лопаток для обеспечения промежуточных режимов. Поэтому начиная с π_к ³ 10...12 целесообразно разделить газогенераторную часть турбогруппы на каскады (турбокомпрессорные блоки). Каскадом называют часть компрессора, приводимого своей турбиной. Турбина низкого давления (ТНД) вращает компрессор низкого давления (КНД), а турбина высокого давления (ТВД) приводит компрессор высокого давления (КВД). Для каскада высокого давления (ВД) обычно принимают частоту вращения заметно более высокую, чем для каскада низкого давления (НД), и это позволяет уменьшить размеры турбокомпрессорного блока ВД, создать более благоприятные условия для проектирования ступеней турбомашин обоих каскадов, а на нерасчетных режимах уменьшить рассогласование ступеней компрессора. Все три схемы (двухвальные однокомпрессорные и трехвальная двухкомпрессорная) получили большое распространение на отечественных и зарубежных газопроводах. Конвертированные авиацион­ные и судовые двигатели выполняют только по схемам, т.е. без регенерации теплоты.

Для всех схем ГТУ по сложным циклампредпочтительно трехвальное исполнение. Хотя число турбомашин в этих схемах такое же, как и при двухкаскадном газогенераторе в простом цикле, наличие теплообменников и трубопроводов к ним большого сечения заметно усложняет компоновку таких агрегатов. В принципе при использовании регулируемых КНД и КВД (с поворотными направляющими лопатками) и встроенных камер сгорания возможны и двухвальные схемы, но это тоже вызывает конструктивные трудности. Целесообразность отнесения ГТУ по сложным схемам к числу представляющих интерес в будущем проистекает из их более высокой экономичности (при одинаковой температуре газа), чем ГТУ по простому и регенеративному циклам (см. табл.1.1), и имеющемуся опыту применения их в различных областях техники. Кроме того, они не сложнее предлагаемых парогазовых установок, внедрение которых на КС рассматривается как реальное. Из представленных схем более перспективными являются: с промежуточным охлаждением и регенерацией (используют на судах морского флота); с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом (применяют в энергетике); с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регене­рацией теплоты (использовали в энергетических ГТУ на ранней стадии развития газотурбостроения).

При двухкомпрессорных схемах, характерных для авиаГТД наземного применения, возможно выполнение КНД с существенно увеличенным расходом воздуха, чем для остального тракта двигателя. Избыточный сжатый воздух может быть подогрет в специальном рекуператоре отходящими после СТ газами и расширен в дополнительной воздушной турбине, установленной на валу СТ-ЦН. При этом КПД установки растет на несколько процентов, однако корпуса КНД и воздушной турбины подвергаются воздействию усилий от горячих воздухопроводов под давлением и должны иметь жесткую конструкцию, несвойственную авиадвигателестроению.

Пока не исчерпаны имеющиеся значительные резервы повышения экономичности ГТУ простого и регенеративного циклов, разработка газо­турбинного привода для газовой промышленности по сложным схемам отступает на второй план из-за большой трудоемкости доводки образцов таких агрегатов и увеличенной сложности эксплуатации.

Другим способом повышения экономичности газотурбинного привода на КС является утилизация сравнительно высокопотенциального тепла уходящих газов безрегенераторных ГТУ для испарения воды под давлением в котле-утилизаторе и получения пара, который можно использовать в паросиловом цикле для выработки электроэнергии или для подмешивания в основной газотурбинный цикл. Создание комбинированной энергетической установки экономически целесообразно в том случае, когда на площадке КС или поблизости есть достаточно крупный потребитель электроэнергии, например компрессорный цех с электроприводными ЦН. Транспортировка побочно выработанной электроэнергии на большое расстояние малоэффективна. Однако эксплуатация мелких утилизационных паросиловых установок является затратным делом, в большинстве случаев экономически недостаточно обоснованным.

Что касается контактных схем, т.е. использования энергии пара в проточной части турбин ГТУ, то здесь требуются эффективные решения по конденсации отработавшего пара и возвращения воды в утилизационный котел. Украинскими научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями разработаны опытные установки, в которых отработавший пар может быть сконденсирован в смешивающем конденсаторе, а вода вновь использована в котле-утилизаторе. Если применить такую схему в составе газотурбинного привода ГПА, то достижима экономия топливного газа в 30-40%, но установка теряет мобильность и простоту, так как приведение в рабочее состояние утилизационного контура требует длительного времени и большого числа операций.

Некоторым достоинством циклов с использованием воды является то, что пар низких параметров может быть также эффективно использован в системе охлаждения турбин ГТУ, заменяя более дорогой воздух, но в этом случае также нет простых решений для ГТУ компрессорных станций ввиду их ограниченной единичной мощности.

К настоящему времени возможности простого цикла еще далеко не исчерпаны, и поэтому в конвертированных авиационных и судовых ГТД цикл с одной ступенью сжатия и расширения прочно закрепился и продолжает развиваться в направлении повышения π_к и Т_г.