CC BY
37
УДК 338.243
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА НА ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ
А.У. УЧАРОВА, Г.Н. МАРЧЕНКО, Г.И. ДРУЖИНИН, Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО
Казанский государственный энергетический университет
В системе особенностей работ газотурбинных установок замкнутого цикла (ЗГТУ) существенными являются требования к системе регулирования при работе на переменных режимах. Эта проблема является особенно важной применительно к ЗГТУ с ядерными реакторами в одноконтурном исполнении, поскольку в этом случае проблемы регулирования являются проблемами обеспечения безопасности работы ядерной энергетической установки. В статье рассмотрена проблема как таковая, и даны конкретные предложения, учитывающие условия функционирования ЗГТУ в реальных условиях.
Ключевые слова: газотурбинная установка замкнутого цикла, система регулирования, переходный режим.
Характеристики потребителей энергии или мощности и схемы установок определяют требования к системе регулирования ЗГТУ для работы на переменных режимах. Для ЗГТУ с ядерными реакторами в одноконтурном исполнении проблемы регулирования являются одновременно проблемами обеспечения безопасности работы ядерной энергетической установки.
В газотурбинных установках замкнутого цикла, в отличие от ГТУ открытого цикла [2], имеется возможность изменять минимальное давление Рх в цикле и регулировать мощность изменением плотности газа по тракту установки, что достигается за счет организации массообмена между контуром и специальными емкостями или организацией внутренних перепусков рабочего тела. Эти два способа, а также их комбинация используются наиболее часто. Кроме того, сохраняется возможность изменения мощности традиционными способами - регулированием температуры газа или изменением проходного сечения турбомашин. Наиболее экономичным способом регулирования является изменение массы газа и, соответственно, давления в контуре ЗГТУ. Отбор рабочего тела при сохранении температуры во всех сечениях установки приводит к уменьшению плотности газа пропорционально снижению массового расхода, в результате чего во всех сечениях объемный расход не изменяется и сохраняется гидродинамическое подобие в основных узлах ЗГТУ: компрессорах, турбинах, трубах [2]. Это позволяет получить высокий КПД на режимах частичной нагрузки и устойчивую работу компрессора в широком диапазоне установившихся режимов. Недостатком данного способа регулирования является относительно медленное изменение мощности, связанное с ограниченным проходным сечением регулирующих органов, а также дополнительные капитальные затраты на создание ресиверов и системы наполнения и опорожнения контура. Данный способ позволяет осуществлять регулирование мощности до определенного
© А. У. Учарова, Г.Н. Марченко, Г.И. Дружинин, Ю.Я. Петрушенко Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
значения, зависящего от степени повышения давления ЗГТУ. Регулирование мощности за счет изменения температуры газа перед турбиной является наиболее простым и достаточно сильным средством, чтобы ЗГТУ могла работать на любом предусмотренном режиме. Одна из возможных схем регулирования ЗГТУ с промежуточным охлаждением показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема системы регулирования ЗГТУ с промежуточным охлаждением: 1 - реактор; 2 -компрессоры; 3 - турбина; 4 и 5 - промежуточный и концевой газоохладители; 6 - регенератор; 7 - баллон системы регулирования; 8 - подкачивающий компрессор; П1 и П7 - клапаны;
Р1-Р5 - регулирующме устройства
Схема предусматривает как изменения массы газа в контуре, так и перепуск газа из тракта высокого давления в тракт низкого давления. При уменьшении мощности за счет изменения массы газа открывают клапан ПЗ, и газ из тракта высокого давления поступает в ресивер 7, причем давление в ресивере при работе ЗГТУ при полной мощности немного больше, чем при входе в концевой холодильник в этом режиме. После выравнивания давлений в ресивере и за компрессором клапан ПЗ закрывается и дополнительное количество газа нагнетается в ресивер вспомогательным подкачивающим компрессором 8 через открывшиеся клапаны П4 и П5. При больших размерах ресивера дополнительные клапаны и компрессор не применяют. Для увеличения мощности ЗГТУ газ из ресивера возвращается в контур через клапан П6. Возвращать газ в контур можно в полость не только низкого давления, но и высокого, а также при любом промежуточном давлении по тракту сжатия. Место возвращения газа оказывает заметное влияние на устойчивую работу компрессоров в течение переходного процесса. При снижении мощности за счет регулирования перепуском газа открывается клапан П1, что уменьшает расход газа и степень понижения давления в турбине. При этом мощность ЗГТУ быстро падает и при расходе газа через клапан, примерно равный 1/3 от первоначального значения расхода через турбину, установка выходит на режим холостого хода. Уменьшение степени перепада давления в турбине приводит к росту температуры за турбиной, вследствие чего возрастают подогрев газа в регенераторе и температура при входе в реактор, что снижает прочность его элементов. Поэтому поток, перепускаемый
через клапан П1, делится на две части, большая из которых подается в тракт за турбиной для снижения температуры выхлопных газов, а меньшая - в тракт низкого давления перед концевым холодильником. Для поддержания температуры в реакторе практически неизменной осуществляется регулирование расхода газа в тракт низкого давления клапаном П2. Независимо от способа регулирования турбоустановки тепловая мощность реактора регулируется самостоятельной системой, получая импульсы от контура ЗГТУ. Отличие температуры Т3 от заданной фиксируется регулятором РЗ, который выдает определенный импульс на регулятор Р4, на который поступают сигналы от изменения температуры перед реактором Т5 и давления перед турбиной ПЗ. Так как температура Т5 поддерживается примерно постоянной регулятором Р2, основное регулирующее воздействие на теплопроизводительность реактора оказывает изменение давления р3, пропорциональное изменению расхода газа через реактор. Замеренные величины Т3, Т5 и О полностью определяют необходимое изменение тепловой мощности, уровень которой контролируется по замеру нейтронного потока в активной зоне. В результате регулятор Р4 выдает необходимую команду на механизм Р5, задающий положение регулирующих стержней.
Способ и программа регулирования определяют характер протекания переходных процессов. Так как тепловая и гидродинамическая инертность контура изменения параметров лопаточных машин зачастую не соответствует установившимся режимам, это может привести к появлению положительного или отрицательного момента и вызвать колебания частоты вращения, что недопустимо в энергетических установках. Места отвода и подвода или перепуска газа, температуры и сечения клапанов, время протекания переходных процессов и кратковременные забросы параметров зависят от выбранного способа регулирования. Для определения способа и программы регулирования исследуются наиболее неблагоприятные условия эксплуатации: ступенчатое уменьшение или увеличение нагрузки, быстрая остановка и внезапный сброс нагрузки.
Ступенчатое увеличение нагрузки
Увеличение нагрузки ЗГТУ, как правило, осуществляется путем подачи дополнительного газа в контур. Работа с нагрузкой менее 30-50 % от номинальной осуществляется с частично открытым перепускным клапаном, и его закрытие приводит к быстрому увеличению мощности. Параметром, определяющим маневренность установки, является время циркуляции газа в контуре ¿ц, которое соответствует отношению массы газа тк к его массовому расходу ¿ц = тк/О. Таким образом, время циркуляции газа в контуре ¿ц определяет способность установки перейти на новый режим. При регулировании количественным способом относительное изменение массы газа приблизительно равно относительному изменению расхода через турбину, поэтому скорость впуска или выпуска газа часто характеризуют величиной АОт = От / Ото, где АОт - изменение расхода газа через турбину за 1 с. Сечение впускного и выпускного клапанов зависит от максимального расхода через них О^. Обозначив относительный расход газа g = Окл / Ото, запишем связь между параметрами, определяющими переходного режима за время ¿ц: g = АОт ¿ц.
Отсюда следует, что чем меньше время ¿ц, тем меньший относительный расход газа g должен проходить через клапаны, чтобы обеспечить заданную скорость изменения массы газа в контуре. При увеличении мощности ЗГТУ с
промежуточным охлаждением газ из ресивера иногда подают в полость газоохладителя. В этом случае временно увеличивается давление в компрессоре низкого давления и снижается расход газа в нем, что приводит к возможности попадания компрессора в помпаж на переходном режиме. Подвод газа в область высокого давления позволяет увеличить мощность практически мгновенно, благодаря увеличению перепадов в турбине.
Существенным недостатком подвода газа при высоком давлении является приближение рабочей точки компрессора к границе помпажа, что накладывает ограничения на допустимую скорость впуска. Для подачи газа в тракт высокого давления требуется выполнение специального подкачивающего контура для заполнения ресивера. Наличие промежуточного охлаждения увеличивает время протекания переходного процесса и из-за увеличения массы газа в контуре на 20-25%. Схема регулирования подачи газа из ресивера при промежуточном давлении процесса сжатия допускает меньший диапазон изменения мощности, чем схема подачи газа в тракт низкого давления.
Ступенчатое уменьшение нагрузки, полный сброс нагрузки, быстрая остановка ЗГТУ
При ступенчатом уменьшении нагрузки и регулировании мощности ЗГТУ выпуском газа из тракта высокого давления в первый момент уменьшается степень понижения давления в турбине и мощность падает. Одновременно расход газа через компрессор, из-за снижения степени повышения давления в компрессоре, несколько увеличивается, давление в тракте низкого давления начинает уменьшаться, что ведет к постепенному восстановлению значения коэффициента понижения давления в турбине и увеличению мощности турбины. Постепенное уменьшение расхода газа через компрессоры уменьшает скорость снижения мощности ЗГТУ, которая соответствует скорости изменения расхода вплоть до закрытия выпускного клапана. При этом образуется провал мощности, которая при больших изменениях нагрузки может стать отрицательной (рис. 2) [2].
1 \ ч \ ч \ ч \ ч Л" с V ч ч
, *м > 'л
Рис. 2. Изменение относительной мощности и расхода газа при ступенчатом уменьшении мощности ЗГТУ
После закрытия клапана мощность восстанавливается до значения, соответствующего режиму. Суммарное время переходного процесса ¿п оказывается значительно большим, чем время N при котором мощность ЗГТУ снижается до заданного значения. Регулирование степени открытия клапана по соответствующему закону дает возможность избежать последующего провала мощности, что увеличит суммарное время переходного процесса. © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
В ЗГТУ с промежуточным охлаждением при переходном режиме компрессора низкого давления уменьшается расход газа и растет степень повышения давления (пк), что приближает рабочую точку к границе помпажа. Это лимитирует величину относительного расхода газа g и, следовательно, время переходного процесса. Другой причиной, ограничивающей скорость изменения мощности, является производительность компрессора, подкачивающего газ в ресивер. Поэтому быстрое уменьшение мощности путем выпуска газа из контура возможно лишь при небольших колебаниях нагрузки. При значительных колебаниях нагрузки и при полном ее сбросе необходимо в начале процесса применять перепуск газа. При открытии байпасного клапана уменьшается расход газа и теплоперепад турбины, связанные с отношением давлений р3/р4. В результате происходит быстрое снижение мощности. Уменьшение пк при открытии перепуска обеспечивает отдаление режимов работы компрессоров от помпажа. Следовательно, компрессоры не ограничивают скорости изменения мощности. При мгновенном сбросе нагрузки или значительном ее снижении неизбежен заброс частоты вращения, что недопустимо в энергетических ЗГТУ, у которых электрогенератор не отключается от электросети в течение переходного процесса и выхода на холостой ход. Этот заброс тем меньше, чем быстрее достигается равенство между крутящим моментом двигателя и моментом нагрузки. Для увеличения быстродействия системы регулирования сечение перепускного клапана рассчитывается на расход, существенно превышающий необходимый для режима холостого хода.
Так, чтобы уменьшить мощность ЗГТУ (мощностью 300-500 МВт) до нуля за время меньше одной секунды, клапан рассчитывают на расход газа, приблизительно равный расходу через турбину на номинальном режиме. При необходимости быстрой остановки машины, например, при возникновении аварийной ситуации и отключении генератора от сети, открывается клапан перепуска, который в этом режиме, в отличие от режима сброса нагрузки, остается полностью открытым, пока не произойдет выравнивания давления в контуре.
Summary
In system of features of works gasturbine installations of the closed cycle (CGTI) requirements to system of regulation are essential at work on variable modes. This problem is especially important with reference to CGTI with nuclear reactors in one-planimetric execution as in this case problems of regulation are problems of a safety of work of nuclear power installation. In article the problem as those, and the specific proposals considering conditions of functioning CGTI in real conditions are given is considered.
Литература
1. Елисеев Ю.С., Манушин Э.А., Михальцев В.Е., и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. Изд. МГТУ им Н.Э.Баумана, 2000. 640 с.
2. Манушин Э.А., Бекнев B.C., Осипов М.И., Суровцев И.Г. Ядерные газотурбинные и комбинированные установки. М.: Энергоатомиздат, 1993. 272 с.
3. Ольховский Г.Г. Тепловые испытания стационарных газотурбинных установок. М.: Энергия. 1971. 408 с.
Поступила в редакцию 24 ноября 2008 г.
Учарова Алсу Ураковна - аспирант кафедры «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-904-6665971.
Марченко Герман Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 554-53-74.
Дружинин Григорий Иванович - канд. техн. наук, профессор кафедры«Котельные установки и парогенераторы» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8(843) 262-57-01.
Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ-мат. наук, профессор, зав. кафедрой «Механика», ректор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-02.
