Одним из наиболее экономичных и экологичных способов получения электроэнергии и тепла в промышленных масштабах является применение газотурбинных энергоустановок. На сегодняшний день в нашей стране данная отрасль активно и динамично развивается.
Авторами в данной статье показано, что проектирование энергоустановки и её автоматики, входной и выходной шахты необходимо выполнять в комплексе, а, не рассматривая каждый элемент в отдельности. В данной статье рассматриваются вопросы влияния изменения сопротивления выходного тракта на переходные процессы, происходящие в энергоустановке.
Рассмотрим энергоустановку, выходной тракт которой образован улиткой, котлом-утилизатором, выхлопной шахтой с системой шумоглушения [3]. Улитка нужна для отвода выхлопных газов выходящих из двигателя в шахту с наименьшими потерями и при наименьших габаритах. Улитка также предназначена для подвода вала электрогенератора к свободной турбине. Котёл-утилизатор, установленный в выходном тракте за улиткой предназначен для передачи (утилизации) тепла выходящих газов рабочему телу, переносчику тепла (вода, воздуха, паров воды и т.д.). С целью регулирования работы котла-утилизатора (регулирование отбираемого тепла) и на режимах запуска энергоустановки, используют байпасный канал, через который частично или полностью перепускают выхлопные газы. Регулирование происходит при помощи ряда створок, перекрывающих котёл-утилизатор и ряда створок, перекрывающих байпасный канал (рис. 1). При этом при проектировании автоматики для управления энергоустановкой необходимо учитывать, что при перекладке створок (открытие/закрытие байпасного канала) изменяется сопротивление выходного тракта энергоустановки (в несколько раз), что может вызвать нежелательные «качания» газогенератора и даже (в худшем случае) помпаж компрессора.
Рис. 1. Схема выхлопной шахты газотурбинного привода (ГТП)
Для более подробного исследования этой проблемы в программном комплексе для трёхмерного численного моделирования ANSYS 11.0 CFX построена модель проточной части выхлопной шахты со створками, установленными под различными углами (от 0° до 90°). Схема модели с углом установки створок 45° приведён на рис. 2. Замеры полного давления производились на плоскостях замера 1 и 2 (рис. 2).
Результаты расчёта модели с углом 45° представлены на рис. 3. Расчётный перепад давления на створках в зависимости от угла установки створок представлен на рис. 4 [3].
Данная характеристика створок была заложена в структурный элемент (СЭ) «Створки» системы имитационного моделирования (СИМ) Dvigwp [1]. Структурная схема модели энергоустановки вместе с моделью выходной шахты представлена на рис. 5.
Рис. 2. Модель для расчёта в программном комплексе для 3-D численного моделирования ANSYS 12.1 CFX с углом установки створок 45° относительно фронта решётки
Рис. 3. Вектора скоростей на плоскости симметрии
Рис. 4. Перепад давления на створках в зависимости от угла установки створок байпасного канала
В СИМ DVIGwp [1] энергоустановка представляет собой структурированный набор из моделей основных узлов двигателя. Элементы выхлопной шахты также представлены в виде набора модулей: улитка, створки котла-утилизатора, створки байпасного канала, котёл-утилизатор, байпасный канал, выхлопная шахта.
Рис. 5. Топологическая модель ГТП совместно
с элементами выходной шахты
где 1 – начальные условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД, 4 – КВД, 5 – отбор газа 1, 6 – камера сгорания, 7 – отбор газа 2, 8 – ТВД, 9 – отбор газа 3, 10 – ТНД, 11 – свободная турбина, 12 – генератор, 13 – канал (улитка), 14 – распределение газа между котлом-утилизатором и байпасным каналом, 15 – створки котла-утилизатора, 16 – створки байпасного канала, 17 – байпасный канал, 18 – канал котла-утилизатора, 19 – вход пара в котёл-утилизатор, 20 – котёл-утилизатор, 21 – выход пара из котла-утилизатора,
22 – смеситель потоков, 23 – выхлопная шахта, 24 – общие результаты.
При моделировании СЭ «Створки» позволяет использовать экспериментально полученную характеристику коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от угла установки створок (или полученную при помощи численного моделирования) или рассчитывать коэффициент гидравлического сопротивления в зависимости от угла установки створок по инженерной методике (рис. 4) [2].
Автоматика энергоустановки настроена таким образом, что она поддерживает постоянную частоту вращения свободной турбины 3000 об/мин (с нормированным допуском), что обеспечивает необходимую частоту вращения электрогенератора. Одновременно автоматика контролирует частоты вращения роторов газогенератора, температуру газов перед свободной турбиной и не допускает превышения этими параметрами определённых фиксированных значений (выбранными из соображений прочности и повышенного ресурса лопаток турбины). Также дополнительными функциями автоматики являются: работа противообледенительной системы, противопомпажной системы, регулировка температуры котла-утилизатора и др.
На рис. 6 приведено изменение избыточного давления за свободной турбиной во времени, которое возникло из-за перекладки створок (закрытия) байпасного канала (увеличилось сопротивление выхлопного тракта), которое и вызвало переходный процесс в энергоустановке. Как только сопротивление выходного тракта увеличилось (весь воздух энергоустановки проходит через котёл-утилизатор) - выросло давление за свободной турбиной. Перепад давления на свободной турбине уменьшился, частота вращения свободной турбины начала падать. Автоматика компенсировала падение частоты вращения увеличением расхода топлива в камеру сгорания. Протекание переходного процесса на характеристиках компрессоров представлено на рис. 7 и 8. Изменение частот вращения роторов во время переходного процесса представлено на рис. 9. Изменение частоты вращения свободной турбины и расход топлива в переходном процессе представлено на рис. 10.
Рис. 6. Изменение избыточного давления за свободной турбиной во время перекладки створок байпасного канала
Рис. 7. Линия переходного процесса на характеристике КНД
Рис. 8. Линия переходного процесса на характеристике КВД
Рис. 9. Изменение частот вращения роторов во время переходного процесса
Рис. 10. Изменение частоты вращения свободной турбины и расход топлива
в переходном процессе
Как можно видеть по рис. 8, сочетание определённых условий на входе (влажность, повышенная температура, неравномерность потока и т.п.) режим работы энергоустановки (100% мощности электрогенератора) и возмущения в выхлопном тракте могут вызвать уменьшение запаса устойчивой работы компрессора высокого давления (газогенератора). Срабатывание противопомпажной системы в подобной ситуации только затянет процесс, вызовет провал по частоте вращения свободной турбины. При проектировании автоматики отвечающей за перекладку створок выхлопной шахты следует ограничить минимальное время (скорость) перекладки створок (чем больше время, за которое перекладываются створки, тем дальше линия переходных режимов от границы помпажа).
Список литературы
1. Ахмедзянов Д.А, Кривошеев И.А. и др. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGwp / Уфим. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2003. – 162 с.
2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.
3. Кишалов А.Е., Ахмедзянов Д.А., Козловская А.В. Моделирование работы выхлопной системы газотурбинного привода в СИМ DVIGwp/ Альманах современной науки и образования. – Тамбов, 2009. №6(25) – С.12-17.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МД-277.2010.8
