Спосіб визначення к.к.д. турбіни компресора газотурбінної установки в екслуатаційних умовах

Спосіб визначення к к д турбіни компресора газотурбінної установки (ГТУ) в експлуатаційних умовах, який включає вимір тиску газів на вході і температури газів на виході турбіни компресора, який відрізняється тим, що необхідне для визначення к к д значення внутрішньої потужності в реальному процесі розширення газів в турбіні компресора знаходять з балансу енергій турбін в ГТУ, а значення внутрішньої потужності турбіни компресора в ізоентропному процесі знаходять за температурою газів на виході турбіни компресора і ступенем розширення газів в ній, знайденим за тиском газів перед силовою турбіною, розрахованим за параметрами процесу розширення газів в силовій турбіні, вимірюють витрату палива в ГТУ і його теплотворну здатність, за концентрацією кисню вимірюють коефіцієнт надлишку повітря в вихлопних газах за силовою турбіною і потім за відомою необхідною КІЛЬКІСТЮ повітря для згоряння одного кілограма палива, витратою палива і коефіцієнтом надлишку повітря розраховують витрату газів в силовій турбіні і турбіні компресора ГТУ, також вимірюють температуру газів на вході та тиск і температуру газів на виході силової турбіни, далі за витратою газів і різницею ентальпій, знайденою за коефіцієнтом надлишку повітря і температурами газів на вході і виході силової турбіни, розраховують и фактичну внутрішню потужність, далі за відомою теплотворною здатністю палива, його витратою і внутрішньою потужністю силової турбіни розраховують фактичну внутрішню потужність турбіни компресора ГТУ, розраховують зведену внутрішню потужність силової турбіни за тиском і температурою газів, виміряних на и виході, далі розраховують значення зведеної внутрішньої потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, використовуючи базову характеристику, знаходять вихідне значення зведеної потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, знайдене для того ж значення зведеної внутрішньої потужності, що було розраховано за виміряними параметрами, розраховують фактичний к к д силової турбіни, перемножуючи вихідне значення к к д і відношення значень зведених внутрішніх потужностей, віднесених до ВІДПОВІДНИХ зведених витрат газів в силовій турбіні і знайдених за виміряними параметрами і за базовою характеристикою, далі за отриманим фактичним значенням к к д і виміряною температурою газів на вході і виході і тиском газів на виході силової турбіни визначають тиск газів на її вході, що дорівнює тиску газів на виході турбіни компресора ГТУ, а к к д , турбіни компресора ГТУ визначають за формулою „ __Nji^_ HL;Gn-KqTK-NlCT - 1 •GT де Т] т к - к к д турбіни компресора ГТУ, NiTK і NI T K S - ВІДПОВІДНІ значення внутрішніх поту жностей для реального процесу і для ізоентропного процесу розширення газів в турбіні компресора ГТУ, Нг -теплотворна здатність палива, G n - витрата палива в ГТУ, KqTK - поправковий коефіцієнт, що залежить від навантаження ГТУ і визначається за базовою характеристикою для конкретного типу ГТУ, NiCT - внутрішня потужність силової турбіни, Ср 2 т к - теплоємність газів на виході турбіни компресора ГТУ, Т 2 т к - абсолютна температура газів на виході си О (О (О о 49066 лової турбіни компресора ГТУ, Pi™ ' Ргтк -ВІДПОВІДНІ значення абсолютного тиску газів на вході і виході турбіни компресора ГТУ, k - показник адіабати для газів, G-гк - витрата газів в турбіні компресора ГТУ Винахід відноситься до галузі випробувань і діагностування машин і може бути використаний при ОЦІНЦІ технічного стану турбін компресорів газотурбінних установок (ГТУ) в експлуатаційних умовах ВІДОМІ різні способи визначення коефіцієнта корисної дм (к к д ) для турбін ГТУ При цьому використовуються ВИХІДНІ (загальні) характеристики для конкретного типу ГТУ Згідно таких способів визначають за загальними характеристиками спочатку витрату газів в турбіні і потім за витратою і частотою обертання визначають к к д турбіни (див Ольховский Г Г Тепловые испытания стационарных газотурбинных установок - М Энергия 1971, с 49-50) Недоліком таких способів є те, що згадані вище загальні характеристики не враховують стан конкретної турбіни на момент випробувань і тому не забезпечують достатню точність визначення ккд Найбільш близьким до винаходу за технічною сутністю є спосіб, у ВІДПОВІДНОСТІ з яким к к д визначається як відношення внутрішніх потужностей у реальному та ізоентропному процесах розширення газів в турбіні (див Ольховский Г Г Тепловые испытания стационарных газотурбинных установок, - М Энергия 1971, с 40) Відомий спосіб може бути застосований у стендових умовах при випробуваннях дослідно-промислових зразків виробу, коли є можливість вимірювати всі необхідні параметри (витрату робочого тіла (газів) у турбіні, а також тиск і температуру газів на вході і виході силової турбіни) Недоліком відомого способу є те, що в експлуатаційних умовах встановлення на турбіні всіх необхідних датчиків на серійному виробі не передбачається проектом через потребу зміни конструкції ГТУ в цьому випадку, складність монтажу і обслуговування датчиків а також їх негативний вплив на газодинамічні процеси Зокрема, в експлуатаційному парку ГТУ не передбачений вимір витрати газів в проточній частині турбіни, температури перед турбіною і тиску газів за турбіною компресора, без яких неможливе визначення фактичної потужності і к к д турбіни компресора В основу запропонованого винаходу поставлена задача створення способу, який спрощує процес визначення к к д турбіни компресора ГТУ в експлуатаційних умовах і має більш високу точність у порівнянні з прототипом Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення к к д турбіни компресора ГТУ в експлуатаційних умовах, який включає вимір тиску газів на вході і температури газів на виході турбіни компресора, ВІДПОВІДНО ДО винаходу необхідне для визначення к к д значення внутрішньої потужності в реальному процесі розширення газів в турбіні компресора знаходять з балансу енергій турбін в ГТУ, а значення внутрішньої потужності турбіни компресора в ізоентропному процесі знаходять за температурою газів на виході турбіни компресора і ступенем розширення газів в ній, знайденим за тиском газів перед силовою турбіною, розрахованим за параметрами процесу розширення газів в силовій турбіні, вимірюють витрату палива в ГТУ і його теплотворну здатність, за концентрацією кисню вимірюють коефіцієнт надлишку повітря в вихлопних газах за силовою турбіною і потім за відомою необхідною КІЛЬКІСТЮ повітря для згоряння одного кілограма палива, витратою палива і коефіцієнтом надлишку повітря розраховують витрату газів в силовій турбіні і турбіні компресора ГТУ, також вимірюють температуру газів на вході та тиск і температуру газів на виході силової турбіни, далі за витратою газів і різницею ентальпій, знайденою за коефіцієнтом надлишку повітря і температурами газів на вході і виході силової турбіни, розраховують и фактичну внутрішню потужність, далі за відомою теплотворною здатністю палива, його витратою і внутрішньою потужністю силової турбіни розраховують фактичну внутрішню потужність турбіни компресора ГТУ, розраховують зведену внутрішню потужність силової турбіни за тиском і температурою газів, виміряних на и виході, далі розраховують значення зведеної внутрішньої потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, використовуючи базову характеристику, знаходять вихідне значення зведеної потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, знайдене для того ж значення зведеної внутрішньої потужності, що було розраховано за виміряними параметрами, розраховують фактичний к к д силової турбіни, перемножуючи вихідне значення к к д і відношення значень зведених внутрішніх потужностей, віднесених до ВІДПОВІДНИХ зведених витрат газів в силовій турбіні і знайдених за виміряними параметрами і за базовою характеристикою, далі за отриманим фактичним значенням к к д і виміряною температурою газів на вході і виході і тиском газів на виході силової турбіни визначають тиск газів на и вході, що дорівнює тиску газів на виході турбіни компресора ГТУ, а к к д турбіни компресора ГТУ визначають за формулою „ __Nji^_ HL;Gn-KqTK-NlCT -1 •GT де т|тк - к к д турбіни компресора ГТУ, NiTK І NIJKS - ВІДПОВІДНІ значення внутрішніх потужностей для реального процесу і для ізоентропного процесу розширення газів в турбіні компресора ГТУ, Нг - теплотворна здатність палива, 49066 G n - витрата палива в ГТУ, KqTK- поправочний коефіцієнт, що залежить від навантаження ГТУ і визначається за базовою характеристикою для конкретного типу ГТУ, NICT - внутрішня потужність силової турбіни, Оргтк - теплоємність газів на виході турбіни компресора ГТУ, Тгтк - абсолютна температура газе на виході силової турбіни компресора ГТУ, Рітк і Ргтк - ВІДПОВІДНІ значення абсолютного тиску газів на вході і виході турбіни компресора ГТУ, k - показник адіабати для газів, G-гк - витрата газів в турбіні компресора ГТУ На фіг 1 зображена базова характеристика залежності к к д силової турбіни тісто від зведеної внутрішньої потужності [ІЧістЬво (крива 1), зведеної внутрішньої потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, Yo, від зведеної внутрішньої потужності [ІЧістЬво (крива 2) і поправочного коефіцієнта KqTK від зведеної внутрішньої потужності [ІЧістЬво (крива 3) Стрічками показано, як по відомому значенню [Nic-гЬвовизначають значення тіСТо, Yo і KqTK Базову характеристику отримують при випробуваннях конкретного агрегату при введенні його в експлуатацію У даному випадку на фіг 1 зображена базова характеристика для ГТУ ДГ90 На фіг 2 зображена принципова схема роботи ГТУ і параметри робочого тіла в турбінах, що вимірюються при випробуваннях турбін в експлуатаційних умовах Газотурбінна установка складається з таких основних елементів компресор 1, камера згоряння 2, турбіна компресора 3, силова турбіна 4 Ротори турбіни компресора з'єднані валами з ВІДПОВІДНИМИ роторами компресора (на схемі показана ГТУ з двокаскадним компресором і, ВІДПОВІДНО, двокаскадною турбіною компресора) Між силовою турбіною та турбіною компресора зв'язок газодинамічний Ротор силової турбіни механічно зв'язаний з агрегатом 5, що споживає потужність силової турбіни ГТУ працює таким чином повітря всмоктується в компресор 1 та стискається у компресорі, далі стиснуте повітря надходить до камери згоряння 2, до якої також подається паливо (паливний газ) і відбувається згоряння, суміш продуктів згоряння і нагрітого повітря (гази) надходять до турбіни компресора 3, віддають їй енергію і цим забезпечують роботу компресора 1, далі гази проходячи через силову турбіну 4, віддають їй енергію і цим забезпечують наявність обертального моменту на вихідному валу ГТУ За даними вимірів параметрів газів у турбіні, що наведені у схемі, здійснюється розрахунок к к д турбіни компресора згідно алгоритму даного способу Запропонований спосіб полягає в тому, що на експлуатаційному режимі вимірюють термометрами температуру газів на вході і виході силової турбіни (див фіг 2), вимірюють манометром тиск газів на виході силової турбіни Вимірюють витрату палива в ГТУ діафрагменим витратомірним пристроєм і за відомим складом палива визначають необхідну КІЛЬКІСТЬ повітря для його згоряння Склад пальних складових у паливному газі визначають за допомогою хроматографіє і вважають відомим, тому що склад паливного газу та ІНШІ ЙОГО характеристики даються в сертифікаті на газ Концентрацію кисню в газах , що відходять за силовою турбіною, вимірюють газоаналізатором, наприклад, газоаналізатором типу "Testo-350" Коефіцієнт надлишку повітря в газах, що відходять, з високою точністю визначається величиною відношення концентрації кисню в повітрі до різниці концентрацій кисню в повітрі і газах, що відходять Розрахунок коефіцієнта надлишку повітря в газах, що відходять, робиться обчислювальним блоком газоаналізатора Масу газів, що проходять через силову турбіну, визначають з відомого співвідношення GCT = G n - ( a - l _ o + 1 ) , де GCT - витрата газів в силовій турбіні, G n - витрата палива в ГТУ, a - коефіцієнт надлишку повітря, І_о - необхідна КІЛЬКІСТЬ повітря для згоряння палива Визначають масову витрату газів (робочого тіла), що проходять через турбіну компресора ГТУ, за формулою де GTK - витрата газів в турбіні компресора ГТУ, GCT - витрата газів в силовій турбіні, AGoxon - відоме за характеристикою значення витрати охолоджуючого повітря в турбіні компресора ГТУ За виміряними температурами газів на входа і виході силової турбіни і відомим коефіцієнтом надлишку повітря, використовуючи теплофізичні характеристики газів, знаходять ентальпії газів і їх різницю на вході і виході силової турбіни За відомою витратою газів і різницею ентальпій розраховують внутрішню потужність силової турбіни за формулою Nl CT = AI -GOT, де NICT - внутрішня потужність силової турбіни, Ді - різниця ентальпій газів в силовій турбіні, GCT - витрата газів в силовій турбіні За відомою теплотворною здатністю палива, його витратою і внутрішньою потужністю в силовій турбіні визначають внутрішню потужність для реального процесу розширення газів в турбіні компресора ГТУ із залежності Ni TK = H r -Gn- Kq TK -Ni CT , де NIJK - внутрішня потужність турбіни компресора ГТУ, Нг - теплотворна здатність палива (паливного газу), G n - витрата палива в ГТУ, NICT - внутрішня потужність силової турбіни, KqTK - поправочний коефіцієнт, який залежить від навантаження ГТУ, значення KqTK знаходять за базовою характеристикою для конкретного типу ГТУ Для визначення потужності в ізоентропному процесі розширення газів в турбіні компресора ГТУ, виконують наступні розрахунки Розраховують зведену внутрішню потужність силової турбіни за виміряними на її виході тиском і 8 49066 т е м п е р а т у р о ю газів за ф о р м у л о ю де [NI CT ] 3 B - зведена внутрішня потужність силової турбіни, NiCT - внутрішня потужність силової турбіни, що визначена за виміряними параметрами газів, Р2ст - виміряний абсолютний тиск газів на виході силової турбіни, Т2ст - виміряна абсолютна температура газів на виході силової турбіни Розраховують зведену внутрішню потужність силової турбіни, віднесену до відповідної зведеної витрати газів за формулою де Y - зведена внутрішня потужність, віднесена до відповідної зведеної витрати газів в силовій турбіні, значення Y розраховується за результатами вимірювань параметрів газів в силовій турбіні, [NICT]3B - зведена внутрішня потужність силової турбіни, що визначається за тиском і температурою газів на її виході, [G CT ] 3 B - зведена витрата газів в силовій турбіні, що визначається за тиском і температурою газів на и виході, GCT - витрата газів у силовій турбіні, що розраховується за результатами вимірів параметрів газів За базовою характеристикою (див фіг1) для даного типу ГГУ знаходять вихідне значення к кд Y -{ тісто і вихідне значення ^ ст " / и для значення зведеної внутрішньої потужності силової т у р б і н и [NI C T ] 3 BO - [NI C T] 3 B, я к е б у л о р о з р а х о в а н о з а виміряними параметрами при випробуванні силової турбіни Розраховують фактичне значення к к д силової турбіни за формулою "Лет Yo де т|ст - фактичне значення к к д силової турбіни, тісто - вихідне значення к к д силової турбіни, Y і Yo - ВІДПОВІДНО, фактичне і вихідне значення зведеної внутрішньої потужності, віднесеної до відповідної зведеної витрати газів в силовім турбіні, які були визначенні шляхом вимірювання параметрів газу і шляхом визначення за базовою характеристикою для однакової внутрішньої потужності Розраховують ступінь розширення газів в силовій турбіні за формулою , k 2ст L Ісг Чс1 де тіст - ступінь розширення газів в силовій турбіні, Ріст і Ргст - ВІДПОВІДНО, абсолютний тиск газів на вході і виході силової турбіни, Тіст і Тіст - ВІДПОВІДНО, абсолютна температура газів на вході й виході силової турбіни, т|ст - фактичний к к д силової турбіни, k = f (Rr, Срг) - показник адіабати для газів Розраховують абсолютний тиск газів перед силовою турбіною, що дорівнює абсолютному тиску газів за турбіною компресора ГТУ, за формулою Ргтк - Ріст - Ргст • л с т Розраховують фактичний к к д турбіни компресора ГТУ за формулою Ni •c nS де т|тк - к к д турбіни компресора ГТУ, NiTK І NI T K S - ВІДПОВІДНІ значення внутрішніх по тужностей для реального процесу і для ізоентропного процесу розширення газів в турбіні компресора ГТУ, Н г - теплотворна здатність палива, G n - витрата палива в ГТУ, KqTK - поправочний коефіцієнт, що залежить від навантаження ГТУ і визначається за базовою характеристикою для конкретного типу ГТУ, NiCT - внутрішня потужність силової турбіни, Сргтк - теплоємність газів на виході турбіни компресора ГТУ, Т2ТК - абсолютна температура газів на виході силової турбіни компресора ГТУ, Рітк і Ргтк ВІДПОВІДНІ значення абсолютного тиску газів на вході і виході турбіни компресора ГТУ, k - показник адіабати для газів, GTK - витрата газів в турбіні компресора ГТУ Приклад виконання способу У поданому прикладі приведені результати випробувань силової турбіни ГТУ типу ДГ90, що використовується для приводу газоперекачувального агрегату У процесі випробувань на фактичному експлуатаційному режимі зроблені наступні виміри і розрахунки виміряна температура газів на виході турбіни компресора ГТУ, яка дорівнює температурі газів на вході в силову турбіну, Тгтк - Тіст = 904,7К, виміряна температура газів на виході силової турбіни Т2СТ = 707,1К, виміряний тиск газів перед турбіною компресора ГТУ Рітк = 1865кПа, виміряний тиск газів на виході з силової турбіни Ргст =108,5кПа, виміряна витрата паливного газу в ГТУ G n = 1,009кг/с, з сертифікату на газ, за його складом визначена теплотворна здатність газу Нг = 50056кДж/кг та КІЛЬКІСТЬ повітря, необхідна для згоряння одного кілограму газу І_о = 17,1 кг/кг, виміряна концентрація кисню Ко2 = 16,0% у газах на виході з турбіни, розрахований коефіцієнт надлишку повітря у газах на виході з турбіни а =21/(21 - К о 2 ) = 21/(21 -16,0) = 4,2, розраховано витрату газів у силовій турбіні GCT = Gn • (а- І_о+ 1) = 1,009- (4,2 • 17,1 + 1) = 73,475кг/с і витрату газів у турбіні компресора ГТУ GTK = GCT - AGoxon = 73,475 - 3,2 = 70,275кг/с, за відомими температурами газів на вході і ви 49066 ході та коефіцієнтом надлишку повітря, використовуючи теплофізичні характеристики газів, визначені ентальпії газів і їх різницю на вході і виході силової турбіни, яка дорівнює Ді ст = 220,85кДж/кг, розраховані внутрішня потужність силової турбіни NICT = Аі • GCT = 220,85 - 73,475 = 16227кВт і зведена внутрішні потужність силової турбіни NU 16227 108,5 5,624 кВт кПа-К' розрахована зведена внутрішня потужність силової турбіни, віднесена до відповідної зведеної витрати газів, яка дорівнює Nu 16227 кВт _ й хДж _ =0,312G^-Tfc 73,475-707,1 "*" ~(кг!с)-К кг-К ' за базовою характеристикою (див фіг1) для розрахованого вище значення зведеної потужності 10 сора ГТУ Рггк ~ Ріст Іст = 3,129-108,5 = 'аг використовуючи теплофізичні характеристики, визначаємо теплоємність газів на виході турбіни компресора ГТУ кг-град і коефіцієнт адіабати k = f(Rr, Сргтк) - 1,332, розрахований к к д турбіни компресора ГТУ Ni r a Н„ • G n • Kq № - N L •G, 50056-1,009-1,026-і 6227 кПа-К знайдено значення вхідного Yn = NL = 0,332 кДж G r T -Т 9 L кг-К v Уо параметру і вихідне значення к к д силової турбіни тісто - 0,92, розрахований фактичний к к д силової турбіни ~ п Q? ^ ~ визначений коефіцієнт KqTK = 1,026 для ГТУ ДГ90 (див фіг 1), за теплофізичними характеристиками газів визначений показник адіабати розширення газів в силовій турбіні в залежності від газової сталої Rr = 0,28766кДж/кг і середнього значення теплоємностей газів на вході і виході силової турбіни C p c e p = f ( a , T 2 c T , T 1 C T ) = 1,129кг • град k-l k 028766 Л 29 = 0,2548, к= 1,342; розрахований ступінь розширення газів в силовій турбіні І _ґі_ЖІ_!_Т* М -зі29 і 904,7J 0365J і визначений тиск газів перед силовою турбіною, що дорівнює тиску газів за турбіною компре Ц 5436 904,7' 35592,67 _ 0917 1 -70275 Технічний результат від застосування запропонованого способу полягає в спрощенні процесу визначення к к д турбіни компресора і підвищенні точності оцінки к к д при випробуваннях ГТУ в експлуатаційних умовах в порівнянні з відомими способами Підвищення точності визначення к к д досягається за рахунок точного визначення витрати газів і, ВІДПОВІДНО, внутрішньої потужності в турбіні Це досягається завдяки можливості визначення з точністю до часток відсотку коефіцієнта надлишку повітря у газах, що відходять, при високому ступені змішування газів в турбіні Перевагою застосування запропонованого способу є те, що цей спосіб може в повному обсязі бути застосований в умовах експлуатації на компресорних станціях газопроводів без використання устроїв виміру витрати газів в проточній частині турбіни компресора, температури перед турбіною компресора і тиску газів за турбіною компресора, для чого потрібно було б проведення спеціальних монтажних робіт і зміна конструкції ГТУ Спосіб не передбачає ніяких трудомістких операцій і забезпечує контроль к к д турбін компресорів ГТУ при випробуваннях їх в умовах безперервної експлуатації на компресорних станціях магістральних газопроводів 11 12 49066 0,92 'ч-—-——^ 0,90 0,88 _ . .1 ., • .__ і кДж кг К " Т" ~ " 0,30 0,26 0,22 3 Kq™ • " Г Г '• 1,020 / 1,010 1,000 0,990 • ; V . ' • / / • ' • , / кВт "' кПа К ФІГ ВКШІОП Повітря ІІЯЛШІІШЙ TS3 I - компресор; 2 • камера згоряння; 3 • турбша компресора; 4 - силеба турбійв,* 5 - агрегат, що споживає потужвкхц Рій - тясг газів на вході в турбіну компресора; Ti w - температура газів на вхояія силову турбіну; Тья і Via ' температура і тнск газів на виході силової турбйш; а - коефіцієнт штіїшпяу повітря. Фіг. 2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71