Материал: Технический проект газотурбинной установки мощностью 25 МВт

Технический проект газотурбинной установки мощностью 25 МВт

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

ГАОУ СПО СО «Краснотурьинский индустриальный колледж»

Специальность 140102

«Теплоснабжение и теплотехническое оборудование»

Группа ТТО-12з

КУРСОВОЙ проект

Технический проект газотурбинной установки мощностью 25 МВт

По МДК «Тепловые двигатели»

Разработал

Никитина В.В.

Введение

На компрессорных станциях магистральных газопроводов газотурбинные установки (ГТУ) являются основными двигателями для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Количество ГПА с газотурбинным приводом по суммарной мощности достигло 80% от общей установленной мощности приводов на газокомпрессорных станциях.

Перспективность использования ГТУ на компрессорных станциях связана с их высокой энергомкостью, автономностью, не требующей подвода дополнительной энергии и большим моторесурсом. Компактность ГТУ позволяет производить их в блочно-модульном исполнении, что облегчает условия монтажа и технического обслуживания.

Анализ существующего положения трубопроводного транспорта газа и оценка перспектив его дальнейшего развития свидетельствуют о том, что газотурбинный вид привода центробежных ГПА и на ближайшую перспективу останется основным видом привода компрессорных станций.

Использование ГТУ в качестве топлива транспортируемый газ исключает зависимость от внешних поставщиков энергии и не требует больших капитальных вложений на строительство линий электропередач. Оснащение ГТУ котлами-утилизаторами, регенераторами и совмещение их с паротурбинными установками и электрогенераторами дает возможность выработки тепловой и электрической энергии для бытовых нужд как самих компрессорных станций, так и прилегающих поселков.

Основная особенность ГТУ заключается в существенной зависимость эксплуатационных характеристик от параметров термодинамического процесса горения топлива, которые в свою очередь зависят от качественного состава топлива, условий его подготовки и сгорания. Данная особенность выгодно отличает ГТУ от других двигателей с точки зрения возможности регулирования в широком диапазоне эксплуатационных параметров .

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуатации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разрушение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

Цель курсового проекта - расчет газотурбинной установки мощностью 25 МВт.

В описательной части рассмотрены:

. Принцип работы ГТУ;

. Назначение, технологические особенности и принцип работы основных частей ГТУ;

. Схема и принцип работы системы маслоснабжения ГТУ;

. Виды аппаратов воздушного охлаждения газа;

. Технология эксплуатации ГТУ обслуживающим персоналом.

В расчетной части приведены следующие расчеты:

. Расчет тепловой схемы и выбор исходных параметров для расчета. Цель расчета - выбор оптимальной степени сжатия воздуха в компрессоре.

. Тепловой расчет ГТУ на номинальный режим работы. Расчет производится для оптимальной степени сжатия. Цель расчета - уточнение показателей работы ГТУ, определяется расход.

. Тепловой расчет ГТУ на переменный режим работы. Расчет производится для 6 значений степени расширения в турбине. Цель - определение параметров ГТУ в зависимости от общей степени расширения турбин.

газотурбинный маслоснабжение компрессор тепловой

1. Описательная часть

1.1    Принцип работы ГТУ

Тепловая схема ГТУ приведена на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает в осевой компрессор 1 через воздухозаборное устройство. В компрессоре воздух сжимается, подается в регенератор 6, где подогревается уходящими газами. Подогретый воздух поступает в камеру сгорания 5, туда же подается природный газ (топливо), часть воздуха участвует в процессе горения, остальной смешивается с продуктами сгорания, образуя рабочее тело. Рабочее тело из камеры сгорания поступает в турбину высокого давления (ТВД) 2. Тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию вращения, которая расходуется на привод осевого компрессора.

Продукты сгорания после ТВД 2 поступают в свободную силовую турбину (СТ) 3. ТВД 2 и СТ 3 механически не связаны. СТ 3 приводит в движение нагрузку 4. Продукты сгорания после СТ 3 поступают в регенератор 6,отдают свое тепло воздуху и выбрасываются в атмосферу.

Рисунок 1 - Тепловая схема ГТУ

.2     
Описание конструкции

1.2.1 Фундамент

К фундаментам газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций предъявляют жесткие требования. Это связано с большими динамическими нагрузками на фундаменты, с жесткими минимальными допусками на перекосы, горизонтальность и смещение фундаментов. Фундаменты ГПА должны обладать необходимой статической прочностью и малой чувствительностью к динамическим нагрузкам, т.е. малой амплитудой колебаний и отсутствием или малой динамической осадкой.

В практике применяют три типа фундаментов ГПА: массивные, рамные, свайные. Тип фундаментов зависит от высотной отметки расположения ГПА, характера и прочности грунтов основания и района строительства (рисунок 2).

Рисунок 2 - Фундаменты перекачивающих агрегатов: а - массивные монолитные, б - массивные сборно-монолитные, в - рамные, г - свайные на стойках с массивной плитой: 1 - монолитный участок, 2 - блок, 3 - стойки, 4 - рама, 5 - плита, 6- ГТУ, 7 - нагнетатель.

Рамные фундаменты - железобетонные фундаменты, состоящие из монолитной массивной фундаментной плиты, стоек и опорной рамы, на которую устанавливают ГПА. Эти фундаменты применяют для ГПА, устанавливаемых на отметках до +4,5 м. Отличаются большой трудоемкостью возведения.

Массивные фундаменты - фундаменты, имеющие форму, близкую к параллелепипеду, из бетона с минимальным коэффициентом армирования. Их применяют под ГПА с нулевой высотной отметкой. Такие фундаменты отличаются высокой несущей и демпферирующей способностью. Массивные фундаменты выполняют монолитными и сборно-монолитными. Отличаются большой трудоемкостью возведения, необходимостью проведения бетонных и значительного объема земляных работ.

Свайные фундаменты. Применение свайных фундаментов позволяет почти полностью исключить земляные работы, сократить расход бетона, снизить трудоемкость, уменьшить сроки выполнения работ.

Свайный фундамент состоит из системы забивных или буронабивных

.2.2   Корпус ОК

В газотурбинных установках давление рабочего тела (воздуха, газа) сравнительно невелико (0,4-2 МПа), что позволяет изготавливать корпуса турбин и компрессоров тонкостенными. При этом избегают плоских стенок, так как они легко прогибаются под действием даже небольшого перепада давлений.

Типичная конструкция корпуса компрессора ГТУ показана на рисунке 3. Корпус состоит из верхней 3 и нижней 9 половин, отлитых из чугуна повышенной прочности и скрепленных болтами по фланцам, выполненным на горизонтальном разъеме 14. Для упрощения изготовления корпус имеет технологический вертикальный разъем 2, а для увеличения жесткости на его наружной поверхности выполнены ребра 4. На внутренней точно обработанной поверхности корпуса имеются пазы для крепления направляющих лопаток 12.

Рисунок 3 - Продольный (а) и поперечный (б) разрезы корпуса компрессора ГТУ и крепление лопаток (в): 1, 6 - обоймы концевых уплотнений, 2 - вертикальный разъем, 3, 9 - верхняя и нижняя половины, 4 - ребро жесткости, 5 - кольцевой канал, 7, 11 - входной в выхлопной патрубки, 8, 10 - фланцы, 12 - направляющие лопатки, 13 - диффузор, 14 - горизонтальный разъем.

За лопатками последней ступени располагается диффузор 13 - специально спрофилированный кольцевой канал, имеющий плавное увеличение площади проходного сечения, в котором уменьшается скорость и растет давление воздуха.

Воздух подводится в компрессор через входной патрубок 7, а отводится через выхлопной патрубок 11. К фланцам патрубков крепятся воздуховоды. Благодаря специальной конструкции патрубков воздух подводится и отводится равномерно по всей окружности. Концевые уплотнения располагаются в обоймах 1 и 6.

У горизонтального разъема вблизи входного патрубка или на нем фланец нижней половины корпуса имеет специальные приливы - лапы, через которые вес корпуса передается на опоры.

1.2.3
Ротор и лопаточный аппарат ОК

Основной элемент ОК - ротор, конструкция которого и определяет тип всего компрессора (рисунок 4, 5, 6).

Рисунок 4 - Ротор дискового типа.

Достоинства ротора дискового типа - большая прочность в радиальном направлении, то есть возможность достижения высокой скорости вращения.

Недостатки ротора дискового типа - малая изгибная жесткость и соответственно низкая виброустойчивость. Ротор дискового типа на мощных ГТУ не применяется.

Рисунок 5 - Ротор барабанного типа

Достоинства ротора барабанного типа - жесткость и высокая виброустойчивость. Самый прочный, дешевый и простой.

Недостатки ротора барабанного типа - большая масса и связанная с этим трудоемкость изготовления.

Ротор смешанного (барабанно-дискового) типа имеет более сложную технологию производства, но в 3-4 раза меньшую массу.

Рисунок 6 - Ротор смешанного типа.

Достоинства - сочетание высокой прочности в радиальном направлении с большой изгибной жесткостью при небольшой массе и приемлемой технологичности.

Лопатки - аэродинамические профили, равномерно расположенные на вращающихся или неподвижных ободах (венцах). Лопатка состоит из профильной части, которая обтекается потоком воздуха или газов и замковой части, с помощью которой она крепится к ротору. По высоте перо лопатки имеет геометрическую закрутку в соответствии с законом изменения скоростей: чем дальше от центра вращения, тем больше линейная скорость при одной и той же угловой частоте вращения ротора.

Условием эффективной работы лопаток является режим безотрывного обтекания их профиля набегающим потоком воздуха. Максимальная эффективность достигается при направлении потока воздуха по касательной к профилю лопатки - на номинальном режиме работы двигателя, который является расчетным режимом работы двигателя.

Безотрывное обтекание обеспечивается в узком диапазоне угол обтекания 10⁰-15⁰, за пределами которого начинается срыв потока с профиля лопаток, вызывающий помпажные явления.

Способы крепления лопаток (типы замковой части) на осевом компрессоре:

замок типа «ласточкин хвост»;

замок зубчикового типа;

т-образные

.2.4   Камера сгорания

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину.

Простейшая камера сгорания (рисунок 7) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Рисунок 7 - Камера сгорания ГТУ: 1 - подвод топлива, 2 - регистр, 3 - пламенная труба, 4 - смеситель, 5 - зона смешения, 6 - зона горения, 7 - корпус, 8 - топливораздающее устройство (форсунка)

Конструкция камеры сгорания зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива.

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными. В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспортных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие признаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразделяются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные .

1.2.5 Корпус ГТ

Корпус турбины, как и корпус компрессора, выполняется разъемным и состоит из верхней и нижней половин.

Литой корпус турбины с внутренней теплоизоляцией показан на рисунке 8. Верхняя 1 и нижняя 7 половины корпуса имеют фланцы на горизонтальном разъеме и соединяются друг с другом болтами. Кроме того, имеется вертикальный технологический разъем. Газ поступает в корпус турбины через входной патрубок 8, а уходит через два выхлопных патрубка 6.

Рисунок 8 - Корпус турбины ГТУ (а) и крепление сопловых лопаток (б): 1, 7 - верхняя и нижняя половины, 2 - сегменты, 3, 14 - промежуточная обойма, 6- выхлопной патрубок, 8 - входной патрубок, 11 - экраны, 12 - слой теплоизоляции, 13 -концевые уплотнения, 15 - сопловые лопатки.

Корпус отлит из низколегированной перлитной стали. Чтобы предотвратить прямой контакт горячих газов с корпусом, он покрыт внутри слоем теплоизоляции 12, заключенной в экраны 11, выполненные из листовой жаропрочной аустенитной стали. Эти экраны образуют внутренний обвод корпуса.

Для уменьшения притока теплоты в корпус сопловые лопатки располагаются в специальных сегментах 2, укрепленных на промежуточной обойме 3, которая охлаждается воздухом от компрессора. Сегменты отделены по окружности друг от друга зазорами, что позволяет им свободно расширяться при нагреве. В корпусе располагаются две турбины - высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления, сопловые лопатки 15 которых соответственно крепятся в обоймах 3 и 14. В местах выхода ротора из корпуса располагаются концевые уплотнения 13 .

1.2.6 Ротор и лопаточный аппарат ГТ

В газотурбинных установках часто используются сборные роторы турбин с насадными дисками, а также из сплошных дисков и из дисков с центральными отверстиями, скрепляемых стяжками.

Применяются также роторы с одной центральной стяжкой, которая должна быть большого диаметра, чтобы обеспечивать необходимое усилие натяга гайками. При этом в дисках приходится выполнять центральное отверстие, что снижает их механическую прочность. Чтобы избежать уменьшения прочности дисков, в центральной части их утолщают - создают ступицу.