Тепловое испытание газотурбинной установки

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО «Уральский Государственный Технический Университет - УПИ»

Кафедра «Турбины и двигатели»

Лабораторная работа №1

«Тепловое испытание газотурбинной установки»

Вариант 2.2

Преподаватель: Комаров О.В.

Студент: Анкудинов А.В.

Группа: Т - 53043

2007

ВВЕДЕНИЕ

Тепловое испытание - одно из множества возможных видов экспериментальных исследований, проводимых на газотурбинных установках (ГТУ).

Цель испытаний - определение основных характеристик ГТУ: развиваемой полезной мощности и топливной экономичности, количественно выражающейся в величине эффективного КПД.

На стадии отработки конструкции ГТУ задача тепловых испытаний - получение данных об эффективности новых конструкторских решений, предлагаемых разработчиками, а также проверка соответствия характеристик ГТУ требованиям, сформулированным в задании на проектирование.

На стадии эксплуатации ГТУ задача тепловых испытаний - определение фактических характеристик агрегата, меняющихся с течением времени под действием эксплуатационных факторов, т.е. оценка ее технического состояния, а также получение данных о результативности модернизаций, проводимых для улучшения показателей.

Принципы проведения тепловых испытаний стационарной ГТУ должны удовлетворять требованиям основного нормативного документа - ГОСТ 20440-75 «Установки газотурбинные. Методы испытаний». При этом следует учитывать требования ГОСТ 21199-75 «Установки газотурбинные. Общие технические характеристики» и

ГОСТ 28775-90 «Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические характеристики».

ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Испытания проводятся на стенде завода-изготовителя, площадка которого расположена в городской черте.

Эти обстоятельства повлекли возникновение ряда достаточно серьезных проблем и потребовали включения в принципы организации испытаний особых приемов их разрешения.

Проблема 1. В городской черте отсутствует магистральный газопровод высокого давления, к которому должен был быть подключен нагнетатель природного газа, приводимый во вращение испытуемой ГТУ.

Работа нагнетателя на воздухе, используемая иногда для получения его газодинамических характеристик, задачу поглощения полной мощности, развиваемой ГТУ, не решает.

Традиционно при стендовых испытаниях турбоустановок и других двигателей большой мощности такого рода проблему решают применением специальных нагрузочных устройств: электрических или гидравлических тормозов, обеспечивающих при заданном балансе крутящих и тормозных моментов требуемые частоты вращения роторов.

Для рассматриваемых испытаний завод-изготовитель применил другой вид нагрузочного устройства - воздушный нагрузочный компрессор (ВНК) осевого типа собственного изготовления.

Контур ВНК по воздуху был выполнен разомкнутым, т.е. воздух забирался из атмосферы и после ВНК сбрасывался в атмосферу.

Это исключило задачу охлаждения воздуха после ВНК и тем самым существенно упростило испытательный стенд и уменьшило его габариты.

Решение проблемы нагружения ГТУ применением ВНК привело, в свою очередь, к возникновению проблемы неполной согласованности газодинамической характеристики этого компрессора и характеристики силовой турбины.

Указанная несогласованность проявилась в том, что рабочие значения частот вращения ротора силовой турбины при испытаниях составили 5875…6187 об/мин, тогда как номинальное значение - 5500 об/мин.

Этот факт повлек два последствия.

Во-первых, потребовалось изменить настройку автомата безопасности силового вала.

Во-вторых, из-за смещения рабочего диапазона частот вращения силовая турбина имела пониженные КПД, т.к. работала при неоптимальных значениях характеристического коэффициента (U/C_ф).

Проблема 2. Для обеспечения ГТУ топливом необходим природный газ с давлением несколько выше давления воздуха, поступающего из циклового компрессора в камеру сгорания.

Для данной ГТУ давление воздуха составляло 9,44…11,87 кгс/см², а давление топливного газа - 12,05…13,85 кгс/см².

Для ГТУ на заводском стенде в городской черте топливный газ получают из магистралей городских газовых сетей, в которых газ имеет относительно невысокое давление - 6 кгс/см².

Для того чтобы иметь топливный газ требуемого давления, в состав комплекса оборудования испытательного стенда была включена дополнительная система, содержащая дожимной нагнетатель (ДН) - центробежный компрессор, повышающий давление газа из городской магистрали до необходимого давления.

В качестве привода ДН была использована паровая турбина, для которой водяной пар подводился по паропроводу с заводской ТЭЦ. После турбины пар сбрасывался в атмосферу. Дополнительной проблемой был интенсивный шум, излучаемый струей сбрасываемого пара.

Проблема 3. Штатное пусковое устройство ГТУ - турбодетандер, т.е. расширительная турбина, рабочим телом которой служит газ, отбираемый из магистрального газопровода.

Ввиду уде отмеченного отсутствия в городской черте магистрального газопровода высокого давления в качестве пускового устройства применена паровая турбина построенная на основе штатного турбодетандера, переконструированного для работы на водяном паре.

После пускового устройства пар сбрасывался в атмосферу.

Проблема 4. Компоновки ГТУ на заводском стенде и на газокомпрессорной станции различны, поэтому воздухозаборное и выхлопное устройства имеют нештатную конфигурацию.

Соответственно этому величины гидравлических сопротивлении всасывающего и выхлопного патрубков не совпадают с паспортными значениями.

Проблема 5. Как известно, при работе ГТУ со стороны всасывающего и выхлопного патрубков излучается интенсивный шум.

Поскольку вблизи заводской площадки расположены жилые кварталы, возникла необходимость принять меры подавления этого шума.

Для этого были установлены щиты, отражающие шум на территорию завода, и усилена система шумоглушения.

Последняя из указанных мер привела к повышению гидравлических сопротивлений всасывающего и выхлопного патрубков.

Таким образом, вследствие рассматриваемой здесь и предыдущей проблем величины гидравлических сопротивлений всасывающего и выхлопного патрубков изменились по сравнению со штатными значениями, что вызвало искажение основных результатов испытаний - значений мощности и КПД. Эти погрешности корректируют введением поправок при расчете приведенных основных параметров ГТУ.

Проблема 6. Воздух в городской черте и, соответственно, на площадке завода более запылен, чем на территории газокомпрессорной станции, так как не реализованы меры по укреплению поверхности почвы (посадка травы, выкладывание плитами и т.п.).

Это обстоятельство могло бы потребовать большего внимания к состоянию воздухоочистительного устройства ГТУ или его усиления.

Однако, поскольку суммарное время работы агрегата при испытаниях невелико, то абсолютное количество пыли, попадающее с воздухом в тракты ГТУ, также невелико, поэтому дополнительных мер для решения данной проблемы не принимали.

Проблема 7. Штатная система маслоохлаждения ГТУ - воздушная, т.е. построенная на базе аппаратов воздушного охлаждения - устройств громоздких.

Ввиду ограниченности заводской площадки, система охлаждения масла ГТУ, ВНК и ДН была выполнена из гораздо более компактных водяных маслоохладителей. Охлаждение воды осуществлялось по оборотной схеме - в градирне, уже имеющейся на территории завода.

ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ

Схема измерений образована совокупностью точек (сечений) по трактам ГТУ и ВНК, в которых определяют параметры рабочих тел.

В указанных точках устанавливают гильзы, зонды, штуцеры отборов, расходомерные устройства и т.п.

Измерительные приборы либо размещают в точках измерений непосредственно на узлах ГТУ, либо размещают их в специальных помещениях и соединяют с точками измерений импульсными линиями или проводами.

Схема измерений при тепловом испытании ГТУ представлена на рис. 1.



Рис. 1

На схеме представлены только те измерения, по которым при обработке результатов испытаний рассчитывают термодинамические и газодинамические параметры рабочих тел турбомашин и затем показатели ГТУ в целом.

Расход топливного газа измеряют с помощью стандартных расходомерных диафрагм в двух точках топливного тракта: до и после блока регулирования - точка 3а и 3б соответственно. Наличие двух замеров расхода топлива гарантирует надежность проведения испытания, поскольку при сбое в этом измерении невозможно оценить КПД ГТУ.

Полное избыточное давление за ТВД измеряется в пяти точках по высоте данного сечения тракта ГТУ - точки 13…17.

При обработке результатов испытаний используют осредненное значение этого параметра.

Температуру продуктов сгорания за КС не измеряют, так как измерение с требуемой точностью порядка 1000 єC трудно осуществимо вследствие большого числа источников погрешностей. Оценочное значение указанной температуры может быть вычислено, например, по материальному и энергетическому балансу КС.

Полные избыточные давления продуктов сгорания в сечениях за ТВД и перед ТНД различны по величине, поскольку в переходном патрубке между ТВД и ТНД поток существенно перестраивается и, кроме того, здесь имеет место потеря полного давления вследствие гидравлического сопротивления патрубка. В связи с этим, давление за ТВД и перед ТНД измеряют независимо, соответственно точки 13…17 и точка 19.

Расходы воздуха (перед ОК - точка 10 и на входе ВНК - точка 24) измеряют с помощью сужающих устройств специального вида - торцевых диафрагм, установленных на срезе воздухозаборов.

Наряду с параметрами наружного воздуха - точки 1, 5 - измеряют и параметры воздуха на входе ОК - точки 17, 11 и ВНК - точки 21, 25.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

В рассматриваемых испытаниях были применены следующие измерительные устройства:

1. Первичные датчики и приборы

· Первичные датчики частоты вращения (роторов ОК-ТВД и СТ-ВНК) - индуктивные датчики. Выдают электрический сигнал в виде переменного тока, частота которого пропорциональна частоте вращения роторов.

· Первичные датчики температур низкого уровня (наружный воздух, воздух перед ОК и ВНК, топливный газ) - медные термометры сопротивления.

· Термометры сопротивления выдают электрический сигнал в виде величины изменения сопротивления их чувствительного элемента, пропорционального уровня температур.

· Первичные датчики температур среднего уровня (воздух за ОК, воздух за ВНК, низконапорный воздух) - платиновые термометры сопротивления.

· Первичные датчики температур высокого уровня (продукты сгорания в выхлопном патрубке) - хромель-алюмелевые термопары. Термопары выдают электрический сигнал в виде величины термо-ЭДС, пропорциональной уровню температур.

· Первичные приборы расхода топливного газа - стандартные расходомерные диафрагмы, которые выдают пневматический сигнал в виде перепада давлений в их измерительных камерах. Величина перепада пропорциональна квадрату расхода газа.

· Первичные приборы расхода воздуха через ОК и ВНК - торцевые диафрагмы.

2. Зонды

· В сечениях перед ТВД и ТНД установлено по два зонда полного давления продуктов сгорания.

Зонды размещены с помощью бобышек, приваренных к нижней половине корпуса турбины, в радиальных направлениях, наклоненных к плоскости горизонтального разъема под углами 30є (для ТНД - 25є).

Приемники зондов выдают пневматические сигналы, пропорциональные полному давлению на входе в приемник.

· В сечении за ТВД установлен один пятиточечный зонд полного и статического давлений продуктов сгорания.

Зонд размещен на нижней половине корпуса турбины горизонтально.

Приемники такого зонда выдают два пневматических сигнала, один из которых пропорционален полному давлению на входе в приемник, а второй - статическому.

· В сечении за ТНД установлено по два семиточечных зонда полного и статического давлений продуктов сгорания.

Зонды размещены на нижней половине корпуса турбины в радиальных направлениях, наклоненных к плоскости горизонтального разъема под углом 5є.

· В выхлопном патрубке ГТУ установлены зонды для определения полей полной температуры, а также зонды полного и статического давлений продуктов сгорания.

В связи со значительными размерами газохода число точек достаточно велико.

Положения зондов по высоте газохода в разных плоскостях не совпадают, так что аэродинамические следы зондов, размещенных выше по потоку, не влияют на показания зондов, расположенных ниже по потоку. В этих же целях зонды для измерения давлений установлены выше по потоку.

Чувствительные элементы приемников температурного зонда - спаи термоэлектродов - размещены в камерах торможения приемников. Термоэлектроды изолированы друг от друга жаростойкой кремнеземистой нитью.

Измерительный сигнал термопар - термо-ЭДС, снимаемая с концов термоэлектродов.

Преобразователи, конечные приборы, система сбора данных

Автоматизированный сбор и автоматизированная обработка экспериментальных данных во время испытаний ГТУ возможны, если все измерительные сигналы имеют электрический характер и представлены в цифровом виде.

Сигналы термометров сопротивления, термопар, индуктивных датчиков частоты вращения - аналоговые электрические по своей природе. Пневматические сигналы подвергли преобразованию в электрический вид с помощью преобразователей типа «Сапфир», работающих на тензометрическом принципе.

Преобразование аналоговых электрических сигналов в цифровой вид выполняли с применением цифровых вольтметров.

Сигналы датчиков вращения отцифровывали с помощью цифрового частотомера.

Цифровые устройства были, по существу, конечными приборами.

Оцифрованные сигналы поступали в систему сбора данных, где происходило их накопление и вывод на печать.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Первичные сигналы от датчиков и приборов переводили в значения параметров с помощью тарировочных графиков и таблиц.

Заведомо ошибочные результаты замеров отбрасывали.

Исходные данные по замерам подвергали предварительному преобразованию:

1) осреднению давлений по сечениям: за ТВД, перед ТНД, в выхлопном газоходе и др.;

2) осреднению температур по сечениям: перед и за ОК. перед и за ВНК, в выхлопном газоходе и др.

При расчете ряда параметров использовали распределение расходов потоков в системе охлаждения, принятое для номинального режима работы ГТУ, при этом считалось, что в относительном безразмерном виде это распределение сохраняется при смене режима работы ГТУ.

Результаты испытаний приведены к нормальным условиям, что дает возможность сопоставлять результаты разных по времени испытаний независимо от атмосферных параметров на момент испытания.

В ряде расчетов были использованы предварительно оцененные коэффициенты влияния, которые, как известно, показывают силу связи малых относительных изменений параметров-аргументов с относительными изменениями параметров-функций.

Коэффициенты влияния получают путем анализа взаимосвязей параметров в цикле и схеме ГТУ расчетом по методу малых отклонений или по данным испытаний ГТУ.

Эти расчеты достаточно сложны, так как число параметров ГТУ весьма велико, а связи между ними также многочисленны и, коме того, имеют нелинейный характер.

В данной работе коэффициенты влияния использованы как поправки при обработке результатов испытаний в приведенной к нормальным условиям форме.

Результаты испытаний в приведенной форме дополнительно обработаны для представления их в безразмерном виде.

Для расчета расхода топливного газа, а также расходов воздуха в ОК и ВНК по данным замеров перепадов давления на расходомерных диафрагмах использованы следующие значения коэффициентов:

- диафрагма топливного газа =0,1277;

- торцевая диафрагма ОК =59,341;

- торцевая диафрагма ВНК =43,805.

При обработке результатов испытаний, как правило, использована Международная система единиц СИ.

Пересчет физических величин из одной размерности в другую производят по следующим известным соотношениям.

Для давления: 1мм рт. ст.=1,35951·10^-3 кгс/см²;

1 кгс/м² =10^-4 кгс/см²; 1 кгс/см² =9,80665·10⁴ Па.

Для теплоты: 1ккал/кг = 4,1868 кДж/кг.

Для теплоемкости: 1 ккал/(кг·єС) = 4,1868 кДж/( кг·єС).

Паспортные технические характеристики испытуемой ГТУ представлены в табл. 1.

Топливо ГТУ - природный газ, характеристики которого приведены в табл. 2.

Таблица 1 - Технические характеристики испытуемой ГТУ

Параметр	Размерность	Значение
Номинальная температура наружного воздуха	єС	15
Номинальное атмосферное давление	Па	101300
Сопротивление входного тракта	Па	506
Сопротивление выходного тракта	Па	710
Номинальная мощность	кВт	25000
Эффективный КПД	-	0,315
Номинальный объемный расход топлива	м3/ч	8270
Удельный объемный расход топлива	м3/(кВт·ч)	0,331
Температура газа перед ТВД	єС	1020
Температура газа за силовой турбиной	єС	467
Степень повышения давления компрессора ГТУ	-	13
Расход воздуха через компрессор	кг/с	103
Температура воздуха за компрессором	єС	386
Частота вращения турбокомпрессорного вала	об/мин	7100
Частота вращения вала силовой турбины	об/мин	5500

Таблица 2

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Значение
Плотность	?20	кг/м3	0,677
Теплота сгорания		ккал/кг	11610
Стехиометрический коэффициент	L0	кг/кг	16,82

АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВОГО ИСПЫТАНИЯ ГТУ

Исходные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование параметра	Обозначение	Размерность	Значение
Барометрическое давление		мм рт. ст.	727,0
Температура топливного газа, полная		єС	60,0
Перепады давления на расходомерных диафрагмах топливного газа до и после блока регулирования	?hТ	кгс/м2	2027,0
Давление топливного газа, избыточное		кгс/см2	11,05
Температура наружного воздуха, полная		єС	-9,4
Температура воздуха в отборе, полная		єС	168,0
Температура воздуха перед ОК, полная		єС	-6,9
Температура воздуха за ОК, полная		єС	310,0
Частота вращения ротора ОК-ТВД	nВД	об/мин	6530,0
Перепад давления на торцевой расходомерной диафрагме ОК	?hК	кгс/м2	619,0
Давление воздуха перед ОК, полное избыточное		кгс/м2	-576,0
Давление воздуха за ОК, полное избыточное		кгс/см2	9,68
Давление за ТВД (т.1), полное избыточное		кгс/см2
Давление за ТВД (т.2), полное избыточное		кгс/см2
Давление за ТВД (т.3), полное избыточное		кгс/см2	1,624
Давление за ТВД (т.4), полное избыточное		кгс/см2
Давление за ТВД (т.5), полное избыточное		кгс/см2
Температура газов в выхлопном патрубке, полная		єС	424,0
Давление перед ТНД, полное избыточное		кгс/см2	1,583
Давление в выхлопном патрубке, полное избыточное		кгс/м2	180,0
Температура воздуха перед ВНК, полная		єС	-8,1
Температура воздуха за ВНК, полная		єС	214,1
Частота вращения ротора ТНД(СТ)-ВНК	nНД	об/мин	5865,0
Перепад давления на торцевой расходомерной диафрагме ВНК	?hВНК	кгс/м2	687,0
Давление воздуха перед ВНК, полное избыточное		кгс/м2	-1141,0
Давление воздуха за ВНК, полное избыточное		кгс/см2	3,16

Далее результаты расчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Наименование параметра	Обозначение	Формула	Размер-ность	Значение
Барометрическое давление	В	В=В// 735,5	кгс/см2	0,988
Абсолютное давление топливного газа	рТ	рТ=+В	кгс/см2	12,038
Абсолютное полное давление воздуха перед ОК		=·10-4+В	кгс/см2	0,931
Абсолютное полное давление воздуха за ОК		=+В	кгс/см2	10,668
Абсолютное полное давление в выхлопном патрубке		=·10-4+В	кгс/см2	1,006
Расход топливного газа	GТГ		кг/с	1,09
Расход воздуха в ОК	GK		кг/с	90,40
Относительный расход топливного газа				0,012
Степень повышения давления в ОК				11,46
Относительный расход газа через ТВД с учетом всех отборов воздуха до КС				0,932
Коэффициент избытка воздуха в ТВД				4,527
Расчетная температура воздуха для камеры сгорания	/2	/2=/2	єС	155
Теплоемкость воздуха по /2 (при ?=?)			ккал/(кг·єС)	0,243
Расчетная температура газа за ТВД	/2	(/2)=/2	єС	429,2
Теплоемкость газа по /2 и ?ТВД			ккал/(кг·єС)	0,264
Температура газа перед ТВД			єС	858,4
Расход воздуха через ВНК	GВНК		кг/с	70,31
Расчетная температура воздуха для ВНК	[(+)/2]	(+)/2=(+)/2	єС	103
Теплоемкость воздуха по (+)/2			ккал/(кг·єС)	0,241
Внутренняя мощность ВНК	Ni ВНК		кВт	15791,2
Механические потери на валу ВНК			кВт	91,8
Эффективная мощность на валу ГТУ	Ne		кВт	15883,1
Эффективный КПД ГТУ	?e			0,299
Температура газа за ТНД			єС	428,0

ПРИВЕДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ К НОРМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ

По ГОСТ определение мощности и КПД ГТУ необходимо производить при нормальных условиях, которые заданы следующим образом:

1. Для воздуха на срезе входного патрубка компрессора:

- полное давление 1,033 кгс/см²;

- полная температура 15єС (288К);

- относительная влажность 60%

2. Для уходящих газов в срезе выходного патрубка турбины:

-статическое давление 1,033 кгс/см².

Алгоритм приведения результатов к нормальным условиям сведен в табл. 5.

Таблица 5

Наименование параметра	Обозначение	Формула	Размерность	Значение
Относительное изменение давления на входе ОК			%	6,18
Относительное изменение давления на выхлопе ГТУ			%	1,79
Приведенная мощность ГТУ			кВт	19607,5
Приведенный КПД ГТУ				0,319
Приведенная температура газа перед ТВД			єС	893,0
Приведенная температура газа за ТНД			єС	373,6
Приведенный расход воздуха через ОК	GK ПР		єС	105,11
Приведенная частота вращения ротора ТВД	nВД ПР		об/мин	6827,0
Приведенная частота вращения ротора ТНД	nНД ПР		об/мин	6110,3
Приведенная степень повышения давления в ОК				11,53
Приведенный расход топливного газа			кг/с	1,2242
Приведенный объемный часовой расход топливного газа			м3/ч	6509,436
Приведенный удельный расход топлива			м3/(кВт·ч)	0,331

ПРИВЕДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ К БЕЗРАЗМЕРНОМУ ВИДУ

Общий вид такого преобразования . Здесь - приведенное значение параметра, а Х₀ - номинальное. Номинальные значения преобразуемых параметров ГТУ приведены в таблице 1.

Таблица 6

Параметр	Значение
	0,784
	1,011
	0,787
	1,003
	0,8756
	0,800
	0,887
	1,020
	0,962
	1,111

Для безразмерных относительных параметров известны приведенные оценочные взаимосвязи (таблица 7).

Таблица 7

Параметр	Значение
	0,542
	0,657
	0,924
	0,817
	0,879
	0,773