2. Газотурбинная установка компрессорных станций

Газотурбинная установка (ГТУ) - машина, преобразующая тепловую энергию в механическую и состоящая из одного или нескольких компрессоров (чаще осевого типа), теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого вспомогательною оборудования (рис. 3). Полезная мощность в ГТУ совершается за счет внутренней энергии газового потока, поступающего с большой скоростью на лопатки ротора турбины.

Рис. 3. Газотурбинная установка

При работе турбины атмосферный воздух засасывается в осевой компрессор 3, сжимается и поступает в камеру сгорания 1 (рис. 4).

Одновременно часть воздуха направляется в кольцевое пространство между стенкой и корпусом камеры сгорания. Внутрь камеры сгорания непрерывно поступает топливо, сгорающее при постоянном давлении. Поэтому из камеры сгорания непрерывной струей выходят продукты сгорания, направляющиеся в сопла. В соплах энергия давления в результате расширения газа преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, поступающей на лопатки турбины. Воздух, омывающий жаровую трубу камеры сгорания, охлаждает ее и, смешиваясь с продуктами сгорания, выходящими из жаровой трубы, также поступает в турбину 2.

Рис. 4. Упрощенная схема газотурбинной установки: 1 – камера сгорания; 2 – турбина; 3 – осевой компрессор; 4 – устройство для съема мощности (нагнетатель)

Примешивание этой доли воздуха к продуктам сгорания, имеющим высокую температуру - около 1800-2000 °С, необходимо для снижения температуры газов до величины, безопасной для металла лопаток газовой турбины. Поэтому общее количество воздуха, сжимаемого в турбокомпрессоре 3, значительно (в 6 раз и более) превышает количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания топлива. 

Общее представление о принципах работы турбины можно получить при рассмотрении устройства простейшей активной турбины (рис. 5). На валу 1 насажен диск 2, по ободу которого на равных расстояниях закреплены рабочие лопатки. Слева от рабочих лопаток в корпусе 5 размещено сопло 4, представляющее собой криволинейный канал плав­ного очертания. При постоянном расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается от P₀ до P₁ . Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока превращается в кинетическую.

При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под та­ким углом наклона α₁, который обеспечивает плавное скольжение по­тока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирую­щая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т. е. ме­ханическую работу. Механическая работа потока газа на лопатках опре­деляется только вращающим усилием и частотой вращения. При враща­тельном движении рабочих лопаток скорость газа при выходе из них меньше скорости на входе.

Рис. 5. Схема простейшей активной турбины

Это означает, что на рабочих лопатках проис­ходит второе превращение энергии - кинетическая энергия потока газа частично переходит в механическую энергию вращения лопаток.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, назы­вают аксиальными, а турбины, в которых поток газа движется перпен­дикулярно к валу, - радиальными. Заводы выпускают в основном аксиальные газовые турбины.

Смежные ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Поэтому турбину такого типа называют одноступенчатой. Диаметр диска 2, измеренный по средней высоте рабочих лопаток d, называют расчетным диаметром ступени давления. Между вращающими­ся и неподвижными деталями всегда имеются зазоры (см. рис. 4) в ра­диальном и аксиальном направлениях.

На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа в ак­тивной одноступенчатой турбине (рис. 5) видно, что давление падает только в соплах, где и происходит увеличение абсолютной скорости по­тока с C₀ до C₁ . На рабочих лопатках, в зазоре между соплами и лопат­ками давление практически постоянно. Отдельные ступени или турбины в целом, в которых давление потока газа на рабочих лопатках остается постоянным, называются активными. Те же ступени или турбины в це­лом, в которых давление меняется и в соплах, и на рабочих лопатках, называются реактивными.

  При расширении в соплах одноступенчатой турбины достаточно полно использовать энергию газа нельзя. Поэтому одноступенчатые турбины применяют в основном для привода различных вспомогательных устройств.

Существует большое число теоретически обоснованных схем и циклов ГТУ. Однако только некоторые из них получили практическое применение.

В одновальной ГТУ открытого простого цикла (рис. 6) рабочее тело (воздух) поступает в компрессор 1 из атмосферы, сжимается и направляется в камеру сгорания 2, в которой происходит его нагревание до определенной температуры.

Рис. 6. Схема простого цикла одновальной ГТУ

Затем рабочее тело (воздух) поступает в турбину 3, где расширяется, производя работу, и выбрасывается в атмосферу. Особенностью этого цикла является то, что компрессор, турбина и центробежный нагнетатель 4 (нагрузка) соединены механически. Центробежный нагнетатель с приводом от одновальной ГТУ может работать только в сравнительно узком диапазоне расходов газа.

В открытом цикле рабочее тело (воздух) поступает в ГТУ из атмосферы и выбрасывается в атмосферу. В замкнутом цикле рециркуляция рабочего тела (воздуха) осуществляется без связи с атмосферой.

В одновальной ГТУ регенеративного цикла (рис. 7) дополнительно применен регенератор - теплообменник, передающий тепло от выхлопных газов рабочему телу (воздуху) до его поступления в камеру сгорания.

Рис. 7. Схема регенеративного цикла одновальной ГТУ: 1 – регенератор; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – нагнетатель (нагрузка)

Регенеративный цикл - термодинамический цикл с использованием тепла отработавшего рабочего тела. Состоит он из следующих друг за другом сжатия, регенеративного подогрева, горения, расширения и регенеративного охлаждения рабочего тела (теплопередачи от отработавшего газа к рабочему телу за компрессором). В целях расширения диапазона регулирования и устойчивой работы применяют схему многовальной ГТУ или с разрезным валом (рис. 8).

Рис. 8. Схема простого цикла ГТУ с разрезным валом с отдельной силовой турбиной

Такая ГТУ имеет по крайней мере две турбины, камеру сгорания 2, работающие на независимых валах. Компрессор 1 приводится в действие турбиной высокого давления (ТВД) 3, а силовая турбина (турбина низкого давления или ТНД) 4 приводит в действие нагнетатель 5 (нагрузку). Газотурбинная установка с разрезным валом обеспечивает любой режим работы газопровода без понижения давления нагнетания, так как, изменяя скорость вращения силового вала ТНД, можно привести в соответствие мощность, потребляемую нагнетателем, с полезной мощностью установки.

В ГТУ регенеративного цикла с разрезным валом появляется дополнительный элемент - регенератор, который выполняет те же функции, что регенератор одновальной ГТУ (рис. 7).

  Рабочий процесс в многовальной ГТУ со ступенчатым сжатием и ступенчатым сгоранием топлива отличается от рабочего процесса других ГТУ тем, что воздух сжимается с промежуточным охлаждением, а горение происходит в двух камерах сгорания, расположенных перед каждой турбиной (рис. 9).

Рис. 9. Схема цикла с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом многовальной ГТУ с потребителем полезной мощности на валу низкого давления: 1 – камера сгорания; 2 – промежуточный холодильник; 3 – камера сгорания промежуточного подогрева; 4 – нагнетатель (нагрузка)

При одинаковой производительности и степени сжатия в установке с промежуточным охлаждением затраты работы на сжатие в компрессорах низкого и высокого давлений (КНД и КВД) меньше, чем в установке без охлаждения. Применение ступенчатого сгорания приводит к некоторому повышению КПД установки. Но в такой установке усложняются топливная и масляная системы, создается более развернутая сеть воздуха и газопроводов, что увеличивает габариты и массу установки. Поэтому на компрессорных станциях не нашли практическое применение схемы ГТУ со ступенчатым сгоранием. Используют в основном ГТУ, выполненные по простому регенеративному (например, ГТК-10) или безрегенеративному циклу (например, ГТН-16) с разрезным валом.

Характеристики газоперекачивающих агрегатов серии «Волга» приведены в прил. 1.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение газотурбинных установок компрессорных станций?

2. Из каких составляющих состоит рабочее тело газотурбинных установок компрессорных станций?

3. Какие термодинамические циклы используются на газотурбинных установках компрессорных станций?

4. Приведите схему многовальной газотурбинной установки компрессорной станции.