РАССЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО СОПЛОВОГО АППАРАТА В СИЛОВОЙ ТУРБИНЕ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Емельянов Н.Э.,Карышев А.К.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана


Номер: 3-3
Год: 2017
Страницы: 51-55
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

Регулируемый сопловой аппарат, силовая турбина, Variable area nozzles for turbine stage, power turbine

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье представлены результаты моделирования течения газа в турбинной части ГТУ с регулируемым сопловым аппаратом в силовой турбине. Исследовано влияние поворота лопаток РСА силовой турбины на основные параметры газотурбинной установки. Проанализирована целесообразность применения РСА в силовой турбине газоперекачивающего агрегата.

Текст научной статьи

Приводом нагнетателей природного газа в основном являются двухвальные ГТУ простой схемы. Сезонные и суточные колебания потребления газа, а также изменения внешних условий (температура, давление и влажность окружающего воздуха) приводят к тому, что приводные ГТУ большую часть времени работают на переменных режимах. Это приводит к отклонению параметров газа по тракту от значений на расчетном режиме и, как следствие, к снижению КПД установки. Выбор ГТУ для привода нагнетателей природного газа обусловлен особенностями передачи газа по трубопроводам: 1. Затраты энергии на нагнетание газа от одной станции до другой в основном зависят от давления перекачиваемого газа. Чем выше давление газа, тем меньше удельные затраты на перекачку. 2. Нагнетатели газоперекачивающих станций работают на участок газопровода относительно большой протяженности (100 км и более), который обладает большой аккумулирующей способностью. Вследствие этого изменение расхода газа за счет потребителей вызывает плавные во времени изменения давления газа за станцией. Для компенсации таких возмущений нужно эффективно управлять частотой вращения нагнетателей, а, следовательно, и мощностью агрегатов. 3. Компрессорные станции обычно оснащены несколькими агрегатами, объединенными в последовательно - параллельные группы. ГТУ могут иметь большую единичную мощность привода, что позволяет использовать нагнетатели с высокой степенью повышения давления (полнонапорные нагнетатели) и снизить потери при перекачке газа. Для большинства установок, рабочие точки на характеристике компрессора располагаются на одной кривой, иными словами, каждой нагрузке соответствует лишь одно значение расхода, степени сжатия, температуры и других параметров. Для большинства эксплуатируемых ГТУ на газоперекачивающих станциях изменение режима работы достигается изменением подачи топлива, при этом связь параметров в ГТ и компрессоре определяются однозначно, так называемой «рабочей» линией. Это обстоятельство ограничивает возможности выбора наиболее экономичной и безопасной, с точки зрения запаса газодинамической устойчивости, программы регулирования. Поэтому изменение режима работы ГТУ, при неизменном режиме работы газопровода, достигается поддержанием частоты вращения вала силовой турбины в холодное время или поддержанием наибольшей допустимой температуры газов перед турбиной в летний период. Введение дополнительных регулирующих факторов позволяет увеличить число регулируемых параметров и реализовывать не одну программу регулирования (при одном регулирующем факторе), а несколько программ, из которых можно выбрать необходимую из условий эксплуатации ГТУ. Для ГТУ газоперекачивающих станций это программа обеспечения наибольшей эффективности транспортировки газа. В приводных установках для перекачки газа в качестве второго регулирующего фактора могут использоваться: поворотные лопатки входного направляющего аппарата и первых ступеней компрессора (только для одновальных ГТУ); применение рабочих колес нагнетателя с изменяемой геометрией и применение регулируемого соплового аппарата силовой турбины совместно с изменением характеристики компрессора, за счет поворота направляющих аппаратов компрессора. Нагнетателей с изменяемой геометрией на сегодняшний день не создано и поэтому повышение эффективности газоперекачивающего агрегата достигается сменой рабочих колес нагнетателя. В зимний период устанавливается колесо с большей пропускной способностью на расчетном режиме, так называемое «зимнее» колесо, а в летний - «летнее» колесо. В России не применяется пока и регулирование с поворотом сопловых лопаток силовой турбины. Однако имеющийся положительный опыт использования регулируемого соплового аппарата (РСА) за рубежом дает все основания надеяться на внедрение в энергомашиностроительной отрасли этого способа регулирования. В настоящее время в научно-технической литературе недостаточно достоверных сведений об изменении параметров ГТУ при различных положениях лопаток соплового аппарата силовой турбины, поэтому авторами данной работы сделана попытка, с использованием трехмерной модели течения газа в проточной части, рассчитать параметры течения в турбине газогенератора и силовой турбине, а также определить расход газа, теплоперепады по ступеням, КПД ступеней и другие характеристики в зависимости от угла поворота лопаток СА. Проточная часть исследуемой модели турбины мощностью 25 МВт, начальной температурой газов перед турбиной высокого давления 1000⁰С и расходом рабочего тела 101,5 кг/с приведена на Рисунке 1. Рис.1 - Расчетная схема модели турбины Расчет проводился в коммерческом пакете ANSYS CFX. Каждый из доменов турбины газогенератора состоял из 350000 ячеек сетки, силовой турбины - 800000 ячеек. Скорость вращения ротора турбины газогенератора, температура и полное давление на входе в расчетную область принимались постоянными и равными 5538 об/мин, 1273К, 712730Па соответственно. Моделировался закон регулирования Тт=const. Для силовой турбины обороты менялись от 5246 до 5996 об/мин, в зависимости от мощности, снимаемой с рабочих лопаток турбины. Так же изменялся угол поворота лопаток РСА силовой турбины от -8° (максимальное прикрытие СА) до +8° (максимальное раскрытие СА). Статическое давление на выходе из расчетной области поддерживалось постоянным и равным 105500Па. Рабочее тело - продукты сгорания органического топлива (R=288Дж/кг·К; k=1,33; Cp=1182,2 Дж/кг·К). Поля полученных параметров (скорости, давления, температуры и т.д.) усреднялись по массовому расходу и по высоте проточной части. Экспериментальная проверка результатов исследования, к сожалению, для нас не доступна, однако сравнение результатов численного моделирования и расчета по средней линии тока дало приемлемую сходимость. Результаты расчетов представлены на рисунках 2-4. Из анализа структуры потока при различных углах установки РСА следует, что наименьшие потери энергии для рассматриваемой силовой турбины наблюдаются при раскрытом сопловом аппарате. Это связано со значительным уменьшением скорости газа на выходе из РСА и соответствующим уменьшением волновых потерь. Режимы работы с прикрытым СА - сопровождаются повышенными значениями волновых, кромочных и потерь на отрыв. Рис. 2 - Изменение теплоперепадов в турбинах Из Рисунка 2 следует, что поворот сопловых лопаток в сторону уменьшения площади РСА вызывает рост теплоперепада на силовую турбину, а значит и давления перед ней. При этом, теплоперепад на турбину газогенератора - уменьшается. Следует заметить, что вторая ступень газогенераторной турбины более восприимчива к изменению режима работы, чем первая. Рост КПД силовой турбины при раскрытии РСА объясняется уменьшением волновых потерь на выходе из СА. Внутренний (мощностной) КПД первой ступени газогенератора практически не изменяется. На эффективность второй ступени газогенератора оказывает значительное влияние уменьшение теплоперепада, из-за чего происходит изменение скоростей и углов обтекания профилей. Описанное, наглядно иллюстрирует Рисунок 3. Рис. 3 - Относительное изменение внутреннего КПД турбин Рис. 4 - Изменение мощности силовой турбины и расхода газа в зависимости от положения лопаток РСА Рисунок 4 показывает основное преимущество использования регулируемого соплового аппарата в силовой турбине - изменение полезной мощности установки. В исследуемой турбине увеличение мощности происходило за счет роста полного давления на входе в силовую турбину, при неизменном статическом давлении на выходе. По результатам расчетов можно сделать вывод, что применение РСА в силовой турбине целесообразно. При некотором усложнении конструкции установки, этот элемент позволит изменять мощность от +10% до -16% при приемлемых значениях КПД. Дополнительно можно отметить следующие преимущества, предоставляемые РСА силовой турбины в приводных ГТУ [3,143]: сохранение более высокой мощности ГТУ при введении дополнительного сопротивления на воздухоприемном или газовыпускном тракте; возможность частичной компенсации производственных отклонений в процессе изготовления, а также приспособления ГТУ к конкретным атмосферным условиям в месте установки; возможность запуска с увеличенным удалением от границы помпажа осевого компрессора, что позволяет упростить его регулирование и снизить мощность пускового устройства; улучшение динамических характеристик ГТУ.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.