СПОСОБ ПУСКА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
PROCEDURE FOR POWER GAS-TURBINE INSTALLATION START-UP

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и газоснабжения газотурбинных установок (ГТУ) на газообразном топливе.
Пуск ГТУ является самым ответственным этапом в организации эксплуатации компрессорной станции. В процессе трогания роторов ГТУ начинают расти динамические нагрузки, возникают термические напряжения в узлах и деталях от прогрева ГТУ. Рост температур ведет к изменению линейных размеров лопаток, дисков, изменению зазоров в проточной части, тепловому расширению трубопроводов. При трогании ротора в первый момент не обеспечивается устойчивый гидравлический клин в смазочной системе. Идет процесс перехода роторов с рабочих колодок на установочные. Компрессор ГТУ близок к работе в зоне помпажа. Через нагнетатель осуществляется большой расход газа при низкой степени сжатия, что ведет к большим скоростям, особенно трубопроводов рециркуляции, что вызывает их вибрацию. В процессе запуска до выхода на режим «малого газа» валопроводы некоторых типов ГТУ проходят через обороты, совпадающие с частотой собственных колебаний, т.е. через резонансные обороты.
Пуск ГТУ осуществляется с помощью пусковых устройств. Для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) применяются турбодетандеры, работающие в основном на перепаде давления природного газа, который предварительно очищается и редуцируется до необходимого давления. Турбодетандеры установлены на большинстве стационарных и некоторых авиационных ГПА. Иногда в качестве рабочего тела применяется сжатый воздух.
Кроме турбодетандера широкое применение нашли электростартеры, которые применяются на судовых ГПА. Ряд агрегатов оборудован системой гидравлического запуска. Мощность пусковых устройств составляет 0,3-3,0% мощности ГПА в зависимости от типа ГПА - авиационных или стационарных.
Рассмотрим типовой алгоритм автоматического запуска стационарного ГПА. При пуске ГПА можно выделить три этапа. На первом этапе раскрутка ротора осевого компрессора и турбины высокого давления происходит только благодаря работе пускового устройства.
На втором этапе раскрутка ротора турбокомпрессора производится совместно турбодетандером и турбиной. При достижении оборотов турбокомпрессора, достаточных для зажигания смеси 400-1000 об/мин, включается система зажигания и начинает осуществляться подача газа на дежурную горелку. О нормальном зажигании сигнализирует датчик - фотореле. Примерно через 1-2 мин после набора температуры примерно 150-200°С заканчивается первый этап прогрева, открывается регулирующий клапан на величину около 5% и начинается второй этап прогрева, который продолжается 10 мин. Затем происходит постепенное увеличение оборотов турбины высокого давления за счет открытия газорегулирующего клапана. При достижении оборотов примерно 50% от номинала турбина выходит на режим «самоходности». При выходе из зацепления муфты турбодетандера заканчивается второй этап раскрутки ротора. В этот момент для исключения провала частоты вращения ротора турбокомпрессора производится резкое открытие топливного регулирующего клапана на 2-3%.
На третьем этапе происходит дальнейший разгон ротора турбокомпрессора путем постепенного увеличения подачи газа в камеру сгорания. При этом закрываются антипомпажные клапаны осевого компрессора, турбоагрегат переходит работать с пусковых насосов на основные, приводимые во вращение уже от роторов агрегата. (А.Н.Козаченко. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. - М.: Изд-во «Нефть и газ», 1999, с.459).
Недостатки известного технического решения заключаются в скачке температур продуктов сгорания в турбине при завершении второго этапа пуска. Это приводит к существенным температурным напряжениям в узлах турбины, к задеваниям рабочих лопаток об элементы уплотнений радиальных зазоров и, как следствие, к снижению ресурса мощности и экономичности ГТУ.
Известны способы пуска ГТУ со свободной силовой турбиной путем раскрутки ротора турбокомпрессора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (электродвигателей, паровых турбин, пневмостартеров, газотурбинных установок). (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. / Под. ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с.376-377).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ пуска и газоснабжения энергетической установки по патенту РФ №2186224, который включает раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем (первый этап).
После достижения связанными роторами дожимного компрессора и турбокомпрессора пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа, подают топливный газ в камеру сгорания и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через газовую турбину ГТУ, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы. По мере раскрутки связанных роторов при достижении так называемого режима «самоходности» производят отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов (второй этап), а степень открытия регулирующего клапана топливного газа увеличивают, что повышает обороты роторов турбокомпрессора. Дальнейший вывод на рабочие обороты достигается за счет увеличения расхода и давления топливного газа (третий этап).
Этому техническому решению также присущи описанные выше недостатки, связанные со скачком температур при отсоединении пускового устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа пуска газотурбинной установки, позволяющего уменьшить дисбаланс мощности при отключении пускового устройства не за счет увеличения расхода топлива при пуске ГТУ. Этот дисбаланс мощности проявляется в провале частоты вращения вала турбины с одновременным значительным скачком температуры перед ней.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее внешнее пусковое устройство (турбодетандер), жестко соединенный через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора, включающего компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, который на первом этапе пуска закрыт, а на втором - приоткрывается, с увеличением степени его открытия на третьем этапе пуска, внесены изменения, позволяющие изменить алгоритм пуска ГТУ, а именно;
- на выходе осевого компрессора устанавливается сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания:
- пуск ГТУ на первом и втором этапах осуществляется при открытом сбросном клапане;
- при достижении режима «самоходности» перед отключением детандера сбросный клапан закрывают.
В результате появляющегося при этом дополнительного расхода воздуха через турбину уменьшается дисбаланс мощности, возникающий при отключении детандера, при этом увеличение расхода воздуха через камеру сгорания при подрыве топливного регулирующего клапана (ТРК) приводит к существенному снижению скачка температуры перед турбодвигателем.
На фиг.1 показана схема, реализующая предлагаемый способ пуска ГТУ, а на фиг.2 приведен график пуска ГТУ по прототипу и по предлагаемому изобретению.
Основными элементами схемы являются: 1 - внешний пусковой двигатель (детандер); 2 - расцепная муфта; 3 - осевой компрессор; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - приводная газовая турбина; 6 - сбросный клапан; 7 - камера сгорания; 8 - силовая газовая турбина; 9 - нагрузка; 10 - система автоматического управлений (САУ).
Предлагаемый способ пуска ГТУ осуществляется автоматически по командам САУ следующим образом. Внешним пусковым двигателем 1 раскручивают через расцепную муфту 2 жестко связанные валы осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5. Регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыт, а сбросный клапан 6 открыт.Воздух, проходя через камеру сгорания 7, поступает в приводную турбину, раскручивая вышеупомянутые связные валы за счет расширения газа. При достижении связанными роторами пусковых оборотов приоткрывают топливно-регулирующий клапан 4, а при достижении режима «самоходности» сбросной клапан закрывают, при этом расцепной муфтой 2 автоматически отсоединяется ротор пускового двигателя 1 от связанных роторов осевого компрессора 3 и приводной газовой турбины 5, а степень открытия топливно-регулирующего клапана увеличивают.
Рассмотренный способ пуска может быть применен для любой ГТУ, где используется пусковой турбодетандер.
На фиг.2 показаны пусковые характеристики газотурбинной установки ГТК-10 при алгоритме пуска по прототипу (известному) и по предлагаемому алгоритму.
Из анализа графиков на фиг.2 можно сделать вывод о том, что после отключения пускового турбодетандера (при частоте вращения 2600-2800 об/ мин - режим «самоходности») провал частоты вращения ротора турбокомпрессора уменьшился с 300 об/мин до 50 об/мин, т.е. в 6 раз, а скачок температуры продуктов сгорания при этом снизился на 50°С, т.е. в два раза.
Таким образом, предлагаемый алгоритм пуска ГТУ позволяет значительно уменьшить провалы частоты вращения вала турбокомпрессора и скачок температуры продуктов сгорания в турбине, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение ресурса ГТУ и снижение расхода топлива.
Внедрение предлагаемого алгоритма пуска ГТУ было осуществлено в июле 2007 г. на газоперекачивающем агрегате (ГПА) ГТНР-16 и планируется к внедрению на ГПА ГТК-10.