Системы защиты газотурбинной установки

Системы защиты газотурбинной установки

Газовые турбины — газотурбинные двигатели — области применения

Настоящий стандарт устанавливает термины и определения понятий в области стационарных газовых турбин, применяемые в стандартах по газотурбинным установкам, технической документации всех видов и контрактах на поставляемое энергетическое промышленное оборудование. Настоящий стандарт не распространяется на газовые турбины со свободнопоршневыми генераторами газа, установки специального назначения, а также транспортные газотурбинные установки.

Газовые турбины — газотурбинные двигатели — определения

Газовая турбина — одновальный газотурбинный двигатель
single-shaft gas turbine Газотурбинный двигатель, в котором роторы компрессора и газовой турбины соединены и мощность отбирается непосредственно с выходного вала или через редуктор. Газовая турбина — многовальный газотурбинный двигатель
multi-shaft gas turbine Газотурбинный двигатель, имеющий, по крайней мере, две газовые турбины, вращающиеся на независимых валах Газовая турбина — газотурбинный двигатель с отбором воздуха (газа)
bleed gas turbine Газотурбинный двигатель, в котором для внешнего использования предусмотрен отбор сжатого воздуха между ступенями компрессора и/или на выходе из компрессора (горячего газа на входе в турбину и/или между ступенями турбины) Газовая турбина — газогенератор
bleed gas turbine Комплекс компонентов газотурбинного двигателя, которые производят горячий газ под давлением для совершения какого-либо процесса или для привода силовой турбины Примечание — Генератор газа состоит из одного или более компрессоров, устройств(а) для повышения температуры рабочего тела, одной или более турбин, приводящих компрессор(ы), системы управления и необходимого вспомогательного оборудования Компрессор
compressor Компонент газотурбинного двигателя, повышающий давление рабочего тела Турбина
turbine Компонент газотурбинного двигателя, преобразующий потенциальную энергию нагретого рабочего тела под давлением в механическую работу Силовая турбина
power turbine Турбина на отдельном валу, с которого отбирается выходная мощность Камера сгорания (основного — промежуточного подогрева)
combustion chamber primary or reheat Устройство газотурбинного двигателя для основного (промежуточного) подогрева рабочего тела Подогреватель рабочего тела
working fluid heater Устройство для подогрева поступающего в него рабочего тела без смешивания его с продуктами сгорания топлива Регенератор/рекуператор
regenerator/recuperator Теплообменный аппарат, предназначенный для передачи теплоты отработавших в турбине газов рабочему телу Примечание — Передача теплоты рабочему телу или воздуху перед его поступлением в камеру сгорания ГТД Предварительный охладитель
precooler Теплообменный аппарат, предназначенный для охлаждения рабочего тела ГТД перед его первоначальным сжатием Промежуточный охладитель
intercooler Теплообменный аппарат, предназначенный для охлаждения рабочего тела ГТД в процессе его сжатия Устройство защиты от превышения частоты вращения ротора
overspeed trip Регулирующий или отключающий элемент, который при повышении частоты вращения ротора ГТД сверхустановленного предельно допустимого значения, приводит в действие систему защиты Газовая турбина -система управления
control system Система, используемая для управления, защиты, контроля и отображения информации о состоянии промышленной газотурбинной установки (газотурбинного двигателя) на всех режимах работы Примечание — Она включает систему управления пуском, системы управления и регулирования подачи топлива и частоты вращения ротора, датчики, устройства контроля подачи электропитания и другие средства управления, необходимые для правильного пуска, устойчивой работы, останова, ограничения режима работы и/или выключения установки при условиях, отличных от заданных Система регулирования
governing system Элементы и устройства для автоматического регулирования параметров газотурбинной установки Примечание — К параметрам относятся частота вращения ротора, температура газов, давление, выходная мощность и другие параметры Топливный регулирующий клапан
fuel governor valv Регулирующий орган для изменения подачи топлива в газотурбинный двигатель Примечание — Возможны также устройства другого типа для регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель Топливный стопорный клапан
fuel stop valve Регулирующий орган для изменения подачи топлива в газотурбинный двигатель Примечание — Вместо топливного стопорного клапана может использоваться топливный отсечной клапан, перекрывающий магистраль подачи топлива в ГТД при срабатывании Зона нечувствительности системы управления
dead band Диапазон изменения входного сигнала, не связанный с корректирующим воздействием регулятора расхода топлива Примечание — Зона нечувствительности (применительно к частоте вращения) — это отношение частоты вращения к номинальной частоте вращения в процентах Статизм регулирования системы управления
governor droop Изменение частоты вращения ротора силового вала на установившемся режиме работы газотурбинной установки, вызванное внешним воздействием, от нуля до номинальной, выраженное в процентах от номинальной частоты вращения Датчик предельной температуры рабочего тела
overtemperature detector Первичный чувствительный элемент системы управления ГТД, который непосредственно реагирует на изменение температуры и выходной сигнал которого воздействует через соответствующие усилители или преобразователи на систему защиты от предельного превышения температуры Теплота сгорания топлива
fuel specific energy Общее количество тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, кДж/кг Удельный расход теплоты
heat rate Отношение теплоты сожженного в ГТД топлива за единицу времени к произведенной им мощности, кДж/кВт ч Примечание — Удельный расход теплоты рассчитывают по низшей теплоте сгорания топлива при нормальных условиях Удельный расход топлива
specific fuel consumption Отношение массового расхода топлива к выходной мощности ГТУ (ГТД), кг/кВт ч Газовые турбины — КПД
thermal efficiency Отношение выходной мощности к расходу теплоты топлива, подсчитанное по его низшей теплоте сгорания при нормальных условиях Условная температура на входе в турбину
reference turbine inlet temperature Условная средняя температура рабочего тела непосредственно перед сопловыми лопатками первой ступени. Режим (частота вращения) «самоходности»
self-sustaining speed Режим (минимальная частота вращения выходного вала), при котором газотурбинный двигатель работает без использования мощности пускового устройства при наиболее неблагоприятных внешних условиях Режим (частота вращения) холостого хода
idling speed Установленный изготовителем режим (частота вращения выходного вала), при котором газотурбинный двигатель может работать устойчиво и можно осуществлять нагружение или останов Максимальная продолжительная частота вращения
maximum continuous speed Максимально допустимое при длительной эксплуатации значение частоты вращения выходного вала газотурбинного двигателя, с которого отбирается мощность Номинальная частота вращения вала
rated speed Частота вращения выходного вала газотурбинного двигателя, при которой определены его расчетные показатели Турбина -предельно допустимая частота вращения ротора
turbine trip speed Частота вращения ротора ГТД, при которой срабатывает аварийное устройство защиты для отсечки подачи топлива в газотурбинный двигатель и останова двигателя Система впрыска пара (воды)
steam and/or water injection system Система, обеспечивающая впрыск пара (воды) в рабочее тело для увеличения мощности ГТД и/или уменьшения содержания оксидов азота (NOx) в отработавших газах Удельная масса
mass-to-power ratio Отношение полной сухой массы газотурбинного двигателя к его мощности, кг/кВт Помпаж компрессора
compressor surge Неустойчивый режим работы компрессора ГТД, характеризующийся сильными низкочастотными колебаниями массового расхода рабочего тела в компрессоре и соединительных каналах

Примеры принципиальных схем газотурбинных установок

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — нагрузка
Рисунок А.1 — Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

1 — регенератор или рекуператор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессор;
4 — турбина; 5 — нагрузка

Рисунок А.2 — Схема ГТУ с одновальным ГТД регенеративного цикла

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина; 4 — силовая турбина; 5 — нагрузка

Примечание — Пунктиром показана альтернативная двухкаскадная компоновка ГТД

Рисунок А.3 — Схема ГТУ с многовальным ГТД простого цикла
со свободной силовой турбиной

1 — основная камера сгорания; 2 — компрессор высокого давления; 3 — турбина высокого давления; 4 — промежуточный охладитель;
5 — камера сгорания промежуточного подогрева; 6 — компрессор низкого давления; 7 — турбина низкого давления; 8 — нагрузка

Примечание — Отбор мощности от ГТД осуществляется с вала ротора низкого давления

Рисунок А.4 — Схема ГТУ с многовальным ГТД сложного цикла
(с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом)

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина; 4 — нагрузка

Рисунок А.5 — Схема ГТУ с одновальным ГТД с отборами воздуха и горячего газа

1 — предварительный охладитель; 2 — подогреватель рабочего тела; 3 — компрессор низкого давления; 4 — компрессор высокого давления; 5 — турбина; 6 — нагрузка; 7 — промежуточный охладитель

Высокая мощность,
малые габариты

Стандартизированная, но вместе с тем универсальная турбина: установка, пригодная для работы в любых условиях.

Объем поставки компании OPRA Turbine не ограничивается одной турбиной! Мы поставляем полностью укомплектованную и проверенную систему с размером основания 20 x 8 футов. В зависимости от применения, наша профессиональная группа устанавливает готовые модули и разрабатывает систему, необходимую для эксплуатации в условиях расположения объекта. Каждая ГТУ OP16 состоит из двух контейнеров стандартного размера, устанавливаемых друг на друга; в верхнем контейнере находится система фильтрации воздуха, а в нижнем — газовая турбина OP16, редуктор, генератор, а также вспомогательное оборудование и системы. Пост управления может компоноваться в соответствии с вашими предпочтениями: внутри конструкции установки OP16, вне ее или рядом с ней. ГТУ OP16 перед отправкой заказчику испытываются при полной электрической нагрузке, что обеспечивает быстроту и беспроблемность монтажа и ввода в эксплуатацию.

Пригодность для различных условий

ГТУ OP16 может оснащаться для эксплуатации в любых погодных условиях — от низких арктических температур до высоких температур пустыни. ГТУ могут быть разработаны для разных условий установки: от морских платформ или борта корабля до береговых установок.

Простая реализация

ГТУ OP16 состоит из контейнеров, которые просты в транспортировке и монтаже вследствие применения быстроразъемных подключений. Конструкцию ГТУ OP16 можно выбрать для проведения техобслуживания с правой или левой стороны.

Безопасность и окружающая среда

Конструкция предусматривает современные системы защиты и внутреннее расположение всех масляных магистралей. Безопасность и защита окружающей среды поставлена в OP16 на первое место.

Установка вне помещения

ГТУ OP16 пригодна для установки вне помещения. Имеется система анти-обледенения, обеспечивающая работу в суровых арктических условиях при температуре до -60 ˚C. Эта система не увеличивает потребление энергии, но рециркулирует тепло в установке. Система OP16 выдерживает тяжелые условия, способствующие образования коррозии, в морском климате, а также высокую температуру и песчаные бури в условиях пустыни.

Длительный интервал обслуживания

Для обеспечения эффективной работы турбины OP16 с минимальным обслуживанием в генераторе системы установлены подшипники с автоматической смазкой, двойной масляный фильтр, калибровочные клапаны с датчиком и применена модульная конструкция. Предусмотрено удобство доступа к частям, требующим обслуживания.

Низкий уровень шума

Стандартная ГТУ OP16 имеет низкий уровень шума — не более 80 дБ(А). В версии с пониженным шумом установлены дополнительные слои шумоизоляции, обеспечивающие уровень шума 70 дБ(А).

Газовая турбина OP16 повышает ценность вашей системы!

Газовая турбины OP16 представляет собой высокоэффективное, современное и вместе с тем простое решение, которое можно адаптировать к потребностям вашего предприятия. Будучи специалистами в энергетике, мы можем помочь оптимизировать производство энергии и тепла путем эффективного использования, имеющегося в вашем распоряжении топлива. Радиальная газовая турбина OP16 обеспечивает максимальную гибкость использования топлива и низкий уровень выброса загрязняющих веществ, что делает компанию OPRA Turbines лидером в деле перевода мировой энергетики на чистые и стабильные источники энергии.

Основные научные направления

Для проведения исследований кафедра располагает современными научными лабораторными комплексами.

НИЛ газотурбинных технологий

Лаборатория, как отдельное направление исследований на кафедре, заложена Борисом Соломоновичем Ревзиным.

Исторически основными направлениями исследований являются повышение эффективности и надёжности эксплуатации приводных и энергетических газотурбинных установок, центробежных газовых компрессоров, а также всего спектра вспомогательного оборудования (АВО газа, маслоохладители, наносное оборудование, пылеуловители, КВОУ и т.д.).

В настоящее время основными направлениями деятельности НИЛ ГТТ являются:

— Научно-исследовательское:

— аэродинамическое совершенствование проточных частей газовых турбин, осевых и центробежных компрессоров;

— разработка моделей технического диагностирования ГТУ и ЦБК по термогазодинамическим параметрам;

— численное моделирование физических процессов в турбомашинах и вспомогательном оборудовании;

— проведение специальных теплотехнических испытаний ГТУ на объектах эксплуатации;

— отработка технических решений в условиях экспериментального стенда;

— решение задач многокритериальной оптимизации;

— разработка оптимальных алгоритмов управления;

— решение задач динамики и прочности турбомашин;

— участие в научно-технических всероссийских и международных конференциях и стажировках.

— Образовательное:

— учебно-исследовательская работа студентов (бакалавров и магистров) и аспирантов;

— повышение квалификации инженерно-технических работников предприятий ТЭК.

— Экспертное:

— техническая поддержка предприятий, эксплуатирующих ГТУ;

— проведение независимых экспертиз;

— участие в расследовании аварийных ситуаций.

Газодинамическая лаборатория поршневых двигателей

Для экспериментального исследования нестационарной газодинамики в проточных частях энергетических машин и установок совместными усилиями ООО «Уральский дизель-моторный завод» и Уральским энергетическим институтом УрФУ (кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Турбины и двигатели») были разработаны методики, спроектирован и изготовлен комплекс лабораторных и промышленных установок и стендов.

Экспериментальные установки представляют собой одно- и двухцилиндровые модели двигателя внутреннего сгорания размерности 8,2/7,1. Лабораторные стенды приводятся во вращение асинхронным двигателем, число оборотов которого регулируется преобразователем частоты Altivar фирмы Shneider Electric в диапазоне от 600 до 3000 об/мин.
Для исследования процессов в реальных условиях на кафедре «Турбины и двигатели» был разработан стенд с реально действующим поршневым двигателем 2ЧН 8,2/7,1, оснащенный измерительным комплексом для исследований газодинамических и теплообменных характеристик в динамике.

В газодинамической лаборатории поршневых двигателей для осуществления необходимых замеров на базе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) была разработана и создана автоматизированная система, передающая данные в персональный компьютер. В ней для определения средней по сечению скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи использовался термоанемометр постоянной температуры оригинальной конструкции, содержащий блок защиты нити от перегрева. Чувствительным элементом датчиков термоанемометра в обоих случаях была нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм.

На описанном выше комплексе экспериментальных установок выполняются лабораторные работы по учебным дисциплинам:

• Теория рабочих процессов ДВС
• Агрегаты наддува двигателей
• Основы научных исследований и испытаний

На лабораторном оборудовании аспирантами и докторантами кафедры «Турбины и двигатели» развивается научное направление «Совершенствование газодинамики и теплообмена во впускных и выпускных системах поршневых двигателей». По данной тематике в диссертационном совете УрФУ были защищены следующие кандидатские диссертации:

• Плотников Л. В. «Газодинамика и локальная теплоотдача во впускной системе поршневого ДВС». Защита диссертации состоялась 22 мая 2009 г. на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при УГТУ-УПИ.
• Шестаков Д. С. «Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВС». Защита диссертации состоялась 29 мая 2012 г. на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
• Григорьев Н. И. «Газодинамика и локальная теплоотдача в выпускном трубопроводе поршневого ДВС». 22 мая 2015 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Тренажерный комплекс «Диалог-1»

На кафедре «Турбины и двигатели» с 1986 года работает полномасштабный тренажерный комплекс «Диалог-1». Тренажер позволяет имитировать работу и управление одноцеховой газокомпрессорной станции, оснащенной газоперекачивающими агрегатами типа ГТК-10-4. В лаборатории тренажерного комплекса проводятся занятия со студентами старших курсов по дисциплинам, дающим знания и навыки по управлению и эксплуатации оборудования газокомпрессорных станций.

Также тренажер используется для обучения и повышения квалификации специалистов, занимающихся эксплуатацией ГПА с газотурбинным приводом в компрессорных цехах магистрального газопровода.

С 2004 по 2014 годы была проведена модернизация аппаратно-технической части оборудования и программного обеспечения тренажерного комплекса. В результате проведенной модернизации тренажера было обновлено аппаратное обеспечение, а новое системное и прикладное программное обеспечение стало открытым для внесения изменений и проведения модернизаций в будущем.

Также были приобретены новые компьютеры для компьютерного класса, и проведена полная замена пульта преподавателя. Пульт преподавателя включает в себя сервер управления тренажерным комплексом и компьютер для работы с тестирующей программой, два жидко-кристаллических монитора и комплект из интерактивной доски, мультимедийного проектора со стендом для установки и ноутбука.

Компьютерный класс из 10 рабочих станций и сервера автоматизированных обучаемых систем (АОС) и тренажеров-имитаторов используется для самостоятельной подготовки обучаемых.

Газотурбинные установки

С учетом дефицита энергии и увеличения ее стоимости растет потребность в решениях, позволяющих повысить эффективность генерирующих предприятий. В современных газотурбинных установках достигнуты большие успехи в улучшении качества воздуха, поступающего в двигатель, но даже на новых станциях может сохраняться риск попадания пыли, капель и соли. При надлежащем применении брызгоуловителей такие риски можно минимизировать.

Газотурбинная установка нуждается для работы в больших объемах воздуха, поэтому вырабатываемая мощность и расход топлива сильно зависят от поступления воздуха, попадающего в камеру сгорания, и от его качества. При использовании более чистого воздуха фильтры загрязняются меньше. Снижение перепада давления также приводит к повышению КПД, что влечет за собой рост вырабатываемой мощности и экономию средств. В условиях холодного климата при температуре воздуха около 0 °C или ниже, существует риск обледенения. Брызгоуловители Munters разработаны с учетом именно таких условий и позволяют поддерживать воздухозаборные устройства свободными ото льда на протяжении всего года, что обеспечивает:

увеличение продолжительности эксплуатации — за счет продления срока службы фильтров снижение перепада давления — удаление погодозащитного козырька и установка брызгоуловителей Munters приводят к значительному снижению потерь
сокращение объемов обслуживания — за счет увеличения периода между заменами фильтров снижаются ежегодные эксплуатационные затраты

Водоиспарительные охладители входящего воздуха повышают КПД газотурбинной установки и увеличивают удельную выработку энергии в расчете на кубометр газового топлива Испарительное охлаждение воздуха для газотурбинных установок, электростанций и дизельных двигателей подразумевает взаимодействие воздуха и воды. Испарительные предохладители воздуха на основе структурированных насадок позволяют увеличить плотность поступающего в камеру сгорания воздуха, снижая его температуру путем адиабатического охлаждения.

Системы предохлаждения Munters с высокоэффективной насадкой повышают выходную мощность установок. Вода в аппарате испаряется с поглощением явного тепла, благодаря такому охлаждению на вход установки поступает воздух с большей плотностью, что позволяет достичь увеличения выходной мощности (как минимум, на 5—6 %, и до 60 % в очень жарком или сухом климате) и повышения КПД.

Предварительные охладители Munters характеризуются малыми капзатратами и эксплуатационными издержками, а потому — коротким сроком окупаемости. При постройке новых объектов дополнительным преимуществом является то, что за счет наличия встроенной системы фильтрации воздуха в предварительном охладителе сокращаются суммарные капиталовложения в воздушные фильтры и охладители.

Следует отметить также фильтрационное действие предварительного охладителя. При установке перед первой ступенью фильтров охладитель удаляет приблизительно 90 % взвешенных частиц, обычно удаляемых первым фильтром. Это существенно увеличивает срок службы фильтров и снижает эксплуатационные издержки. Эффект также распространяется на фильтры тонкой очистки, где пылевая нагрузка снижается приблизительно на 30 %.

Перепад давления на предварительном охладителе Munters составляет лишь 50—100 Па, что пренебрежимо мало по сравнению с перепадом на стандартных фильтрах, составляющим 250—1200 Па. Предохладитель позволяет организовать питание охлажденным и очищенным от аэрозолей воздухом с постоянным перепадом давления на протяжении всего года.

Осушение воздуха защищает газотурбинные установки Высокая влажность вызывает образование конденсата и развитие коррозии, что отрицательно сказывается на функционировании газотурбинных установок, котловых агрегатов, насосов, распределительных устройств и электронных систем. Системы адсорбционного осушения позволяют защитить оборудование от коррозии и поддерживать его в состоянии консервации полностью готовым к быстрому запуску.