Эксплуатация газотурбинных установок

Оценка качества работы ГТУ

Газотурбинные установки работают по определенному графику, называемому диспетчерским и устанавливающему вырабатываемую мощность и время, когда эта мощность должна быть выработана. Чтобы обеспечивать работу в таком режиме, ГТУ должны быть надежны. Вместе с тем заданная мощность должна вырабатываться с наименьшими затратами, т.е. ГТУ должны быть экономичными.

Надежной считается установка, способная без перерывов, вызванных неполадками и авариями, устойчиво работать в течение межремонтного периода на заданных режимах.

Для планирования выработки мощности необходимо иметь количественную оценку надежности. Одной из таких оценок является коэффициент готовности. Газотурбинные установки не все календарное время находятся в работе. Часть времени они стоят в резерве. Кроме того, обязательно выделяется время, необходимое для плановых обслуживания, среднего и капитального ремонтов. От надежности установки зависит время вынужденного простоя в результате аварий и неполадок.

Коэффициент готовности — представляет собой вероятность работоспособности ГТУ в периоды между остановами на плановые ремонты и обслуживание.

Отношение времени нахождения ГТУ в резерве к количеству отказов а называют средней наработкой на отказ.

Коэффициент технического использования представляет собой вероятность работоспособности ГТУ в течение заданного календарного времени.

Наиболее часто условия эксплуатации газотурбинных установок оцениваются коэффициентами рабочего времени и использования установленной мощности.

При эксплуатации важно знать, что газотурбинные установки можно запустить в нужный момент. На практике не все запуски бывают удачными. Надежность ГТУ при пусках характеризуют два показателя: коэффициент безотказности пусков и наработка на запуск.

Коэффициент безотказности пусков определяет долю удачных пусков в их общем числе.

Наработка на запуск равна среднему времени работы на один удачный пуск. Эти показатели используются для количественной оценки эксплуатационных качеств базовых ГТУ.

Пиковые ГТУ значительную часть времени находятся в резерве. В течение этого времени могут быть выполнены многие работы по их обслуживанию и ремонту, т.е. время их нахождения в резерве и время вынужденного простоя частично перекрываются. Поэтому для оценки надежности пиковых ГТУ используют условный коэффициент готовности.

Установлены нормы на коэффициенты, определяющие надежность ГТУ. Так, коэффициенты готовности и технического использования энергетических ГТУ соответственно составляют 0,98 и 0,92, а наработка на отказ — около 3000 ч. Коэффициент готовности пиковых ГТУ равен 0,97—0,98.

Почти три четверти неполадок ГТУ возникает вследствие дефектов оборудования. Вместе с тем доля неполадок, возникающих в результате нарушения режимов эксплуатации, также велика и составляет от 10 до 25%. Причинами этого являются ошибки при управлении газотурбинной установки и ее техническом обслуживании.

Экономичность ГТУ тесно связана с надежностью, хотя прежде всего она определяется условиями эксплуатации. Ряд факторов, влияющих на экономичность ГТУ, не зависит от обслуживающего персонала (уровень вырабатываемой мощности, количество и частота пусков, используемое топливо, параметры и состояние окружающей среды). В то же время персонал может влиять на экономичность, поддерживая номинальные температуру и давление газа перед турбиной, экономно используя топливо, увеличивая скорость пуска, а также совершенствуя качество эксплуатации и технического обслуживания.

Своевременная очистка проточной части компрессоров и турбин, а также трактов теплообменных аппаратов позволяет поддерживать их кпд на заданном уровне и уменьшить потери. Утечки воздуха и газа, топлива, масла и воды обнаруживают при внешнем осмотре ГТУ и принимают срочные меры по устранению неплотностей.

Обслуживание газотурбинных установок при устойчивой работе на номинальных и частичных нагрузках

Уровень технической эксплуатации ГТУ зависит от квалификации оперативного и ремонтного персонала, который должен своевременно и аккуратно проводить проверочные и регулировочные работы, обнаруживать и устранять неполадки, постоянно следить за качеством топлива, масла, воздуха, охлаждающей воды.

В обязанности оперативного персонала входят прежде всего осмотр и прослушивание ГТУ, а также наблюдение за показаниями приборов. Анализ показаний приборов позволяет регулярно оценивать состояние газотурбинной установки: соответствие ее мощности, а также неравномерности температур газа перед турбиной, давления топлива, воздуха и газа, вибрации оборудования установленным нормам; запас устойчивости компрессора по помпажу; степень загрязнения проточных частей турбины и компрессора, теплообменников.

Недопустимое повышение температуры газа перед турбиной может быть признаком повреждения как самой турбины, так и теплообменных аппаратов, возникновения в компрессоре срывов или уменьшения расходов воздуха.

Каждой исправной ГТУ свойствен нормальный шум. Если при эксплуатации ГТУ характер шума изменяется, появляются посторонние звуки, пульсации шума и удары, то это означает, что компрессор попал в помпаж или работает на его границе.

Удары, стук, скрежет свидетельствуют прежде всего о поломках лопаточного аппарата или задеваниях. Чтобы правильно определить характер и причину неполадок, необходимо привыкнуть к шуму нормально работающей ГТУ. Для точного определения состояния оборудования его прослушивают, применяя стетоскопы — "слухачи".

Важным показателем нормального состояния оборудования ГТУ является уровень его вибрации. Необходимо не только знать, укладывается ли амплитуда вибрации в установленные нормы, но и как она изменяется со временем и какова ее частота. Эти данные помогают определить характер и место возникновения неполадок. Так, частота колебаний, меньшая частоты вращения ротора, возникает в результате его неустойчивости на масляной пленке подшипников; частота, равная частоте вращения ротора — при его разбалансировке и задеваниях, а равная двойной частоте вращения — при прогибе вала и расцентровке муфт.

Под постоянным контролем должно находиться взаимное расположение ротора и статора. Чрезмерное осевое перемещение ротора может привести к задеваниям и свидетельствует о срабатывании колодок упорного подшипника. Кроме того, контролируется состояние самих подшипников: по температуре масла и баббитовой заливки, а также по качеству масла, его расходу.

О нормальной работе камер сгорания газотурбинных установок судят прежде всего по неравномерности температур газа перед турбиной, а также по давлению топлива и характеру дыма. Уменьшение давления топлива при постоянной нагрузке турбины связано с износом форсунок, а увеличение — с их загрязнением. Изменение интенсивности дымления, появление беглого или темного дыма может быть признаком повреждения пламенных труб и трактов отработавшего газа. В темном дыме содержится большое количество сажи, а в белом — несгоревшего топлива. Белый дым может появиться в результате погасания одной или нескольких камер сгорания. Для обеспечения надежной работы ГТУ не реже чем один раз в 4 месяца проверяют автомат безопасности без увеличения частоты вращения и защиту от недопустимого повышения температуры газа перед турбиной.

Оперативный персонал, должен постоянно следить за работой воздухозаборных устройств. Для уменьшения запыленности воздуха площадки перед воздухозаборниками поливают. Содержание пыли в воздухе после фильтров на входе в компрессор должно быть не более 0,3 мг/м3; при этом размеры пылинок должны быть не более 15 мкм. При каждом останове ГТУ фильтры очищают, а сборные короба освобождают от пыли и шлака. О нормальной работе фильтров можно судить по отсутствию выноса масла и нормальному перепаду давлений на них. Если фильтры засорены и давление перед компрессором недопустимо уменьшилось, должен автоматически открыться подвод воздуха помимо них (байпас).

Масляная система обеспечивает надежную работу ГТУ и вспомогательного оборудования. Основным условием надежной работы ГТУ является постоянное снабжение оборудования маслом. Чтобы не произошло случайного закрытия задвижек и вентилей системы маслоснабжения, все их маховики пломбируются в рабочем положении. Это прежде всего относится к маховикам задвижек и вентилей до и после маслоохладителей, на всасе и напоре резервных и аварийных маслонасосов, до и после фильтров, а также на аварийном сливе из маслобака.

Пиковые ГТУ большую часть времени не работают. Однако и они должны постоянно обслуживаться оперативным персоналом. Даже если ГТУ не работает, один раз в смену следует проверять исправность оборудования и систем и один раз в неделю запускать и нагружать ГТУ, чтобы убедиться в ее работоспособности.

Пуск газотурбинной установки (ГТУ)

Пуск ГТУ — ответственная операция, которую надо проводить, соблюдая правила технической эксплуатации и безопасности.

Перед пуском ГТУ следует убедиться в исправности ее основного и вспомогательного оборудования, систем регулирования и защиты. Кроме того, необходимо удостовериться, что монтажные, ремонтные работы и техническое обслуживание закончены, посторонние лица около ГТУ и внутри нее отсутствуют. Предварительно должно быть проверено качество топлива и масла. Если оно не удовлетворяет установленным нормам, пуск ГТУ запрещается.

Нельзя запускать ГТУ, если неисправна или отключена какая-либо защита или система регулирования, неисправен один из маслонасосов или не работает система их автоматического включения при недопустимом уменьшении давления масла в системе смазки. Пуск ГТУ проводится автоматически. Действиями обслуживающего персонала руководит начальник смены. После капитального или текущего ремонта пуск ГТУ ведется под руководством начальника цеха или его заместителя. Собственно пуск ГТУ можно разделить на несколько этапов (рис.1).

Рис.1. Характерные этапы пуска ГТУ:
1 - запуск пускового двигателя,
2 - зажигание топлива в камере сгоравия,
3 - выход на режим работы вблизи границы помпажа,
4 - выход на режим работы с предельной температурой газа перед турбиной,
5 - работа при постоянном расходе топлива, равном расходу на холостом ходу,
6 - работа на холостом ходу

На нервом этапе ротор газотурбинной установки раскручивают пусковым двигателем, так как она не может запуститься самостоятельно. Мощность пускового устройства составляет 1—6% от мощности ГТУ. Этому этапу соответствует участок 1-2. При частоте вращения 20—35% от номинальной количества воздуха, подаваемого компрессором, достаточно для устойчивого горения топлива в камере сгорания.

Затем в камеру сгорания подается и зажигается топливо, и практически мгновенно температура и давление в ней резко возрастают (точка 3). Расход рабочего газа при этом немного уменьшается. Частота вращения ротора за это время практически не успевает измениться и можно считать, что участок 2-3 соответствует постоянной частоте вращения. При зажигании топлива система регулирования должна обеспечить такое его количество, чтобы компрессор не попал в помпаж (точка 3 находится правее границы помпажа - пунктирная линия).

Следующий этап — увеличение частоты вращения ротора. Раскручивать ротор нужно по возможности быстрее, не допуская опять-таки помпажа. Система регулирования должна обеспечивать такой режим раскрутки, при котором гарантируется некоторый запас по отношению к границе помпажа (участок 3—4).

При пониженных частотах с этой целью через антипомпажный клапан может сбрасываться до 30% воздуха, проходящего через компрессор.

При определенной частоте вращения турбина начинает вырабатывать такую мощность, что далее может вращать ротор ГТУ самостоятельно. Такой режим называют режимом самоходности (расход Gc и степень сжатия ес). Пусковое устройство при этом отключается.

Вследствие сжигания в камере сгорания все большего количества топлива увеличивается частота вращения ротора и растет температура газа перед турбиной, которая, наконец, достигает предельного значения (точка 4). Так как больше увеличивать температуру газа нельзя, система регулирования автоматически ограничивает увеличение расхода топлива, но он продолжает расти, так как нужно увеличивать частоту вращения ротора и, следовательно, вырабатываемую турбиной мощность. Однако система регулирования подает столько топлива, чтобы температура рабочего газа перед турбиной сохранялась постоянной (участок 4-5).

Наконец, расход топлива становится таким, каким он должен быть на холостом ходу (точка 5). Для плавного выхода на холостой ход без резкого увеличения частоты вращения (заброса) система регулирования сохраняет расход топлива постоянным (участок 5-6) до тех пор, пока частота вращения ротора не станет равной его частоте вращения на холостом ходу.

После того как ГТУ начнет устойчиво работать на холостом ходу, ее можно нагружать, увеличивая расход топлива. Если потребителем мощности является электрический генератор, его следует предварительно включить в сеть. Для этого надо так плавно регулировать частоту вращения ротора газотурбинных установок, чтобы совпали не только частоты эдс на шинах электрического генератора и сети, но и их фазы. Эта процедура называется синхронизацией генератора. В момент совпадения частоты и фазы генератор подключается к сети.

Если не провести синхронизацию, то в момент включения генератора в сеть возникает толчок, поворачивающий ротор генератора по окружности настолько, чтобы фазы тока сети и эдс генератора совпали.

Если в результате отказа при зажигании топлива в камере сгорания или по другим причинам пуск ГТУ не состоялся, нельзя без вентиляции трактов подавать, топливо в камеру сгорания и поджигать его. Это необходимо, чтобы удалить топливо, оставшееся в тракте после неудачного пуска. В ином случае возможно взрывообразное возгорание этого топлива (хлопок).

При нарушении установленной последовательности пусковых операций пуск ГТУ прекращается персоналом или защитами, которые срабатывают при повышении температуры газа выше предельной, недопустимом увеличении нагрузки пускового устройства или снижении частоты вращения ротора после отключения пускового устройства, помпаже и в других случаях, предусмотренных местными инструкциями. Кроме того, персонал должен отключить ГТУ при появлении стуков, скрежета и недопустимом увеличении вибрации.

Останов ГТУ

Остановы ГТУ могут быть плановыми и аварийными.

Плановые остановы предусмотрены диспетчерским графиком (в связи со снижением потребляемой мощности), а также планами мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту.

При плановом останове вначале проводят разгрузку ГТУ постепенным уменьшением ее мощности, а затем отключают генератор. После прекращения подачи топлива весь тракт ГТУ интенсивно вентилируют. В это же время продувают воздухом или инертным газом топливные коллекторы, форсунки и горелки. Продолжительность продувки устанавливается для каждой ГТУ такой, чтобы оставшееся в тракте после останова топливо успело испариться и было удалено из него для предотвращения образования взрывоопасной смеси. После продувки автоматически закрываются шиберы на всасе или выхлопе, чтобы предотвратить попадание в тракт влаги и пыли вследствие естественной тяги.

При останове ГТУ персонал должен обязательно контролировать время выбега ротора (время полной остановки) и регистрировать его в суточной ведомости. Уменьшение времени выбега ротора свидетельствует о возникновении неполадок в проточной части или подшипниках (например, задевания).

Причина уменьшения времени выбега ротора должна быть определена, а неполадка устранена.

Аварийно газотурбинные установки останавливаются защитами или персоналом. В зависимости от последствий, к которым могут привести неполадки, вызвавшие аварийный останов, ГТУ должна быть отключена немедленно или предварительно разгружена.

Защиты немедленно отключают ГТУ при росте температуры газа перед турбиной выше предельной, недопустимом повышении частоты вращения ротора и его осевом сдвиге, снижении давления масла и его уровня в баке, повышении температуры масла за подшипниками или одной из колодок упорного подшипника. Защиты срабатывают также при погасании факела в камерах сгорания, недопустимом снижении давления топлива, выходе из строя системы регулирования, потери напряжения на всех контрольно-измерительных приборах, отключении генератора, возникновении помпажа и др.

Полный перечень отключений, выполняемых защитами, приведен в местных инструкциях по эксплуатации, где указываются также признаки, по которым можно определить причину останова. Персонал должен в совершенстве знать инструкции, чтобы в очень короткое время после останова определить ситуацию. Отработка навыков быстрого определения причин останова ГТУ по одному или нескольким признакам входит в программу противоаварийной учебы оперативного персонала.

Существуют ситуации, при которых ГТУ также должна быть немедленно остановлена, однако автоматика здесь бессильна и сделать это может только оперативный персонал. Так, персонал должен немедленно остановить ГТУ: при обнаружении трещин или разрывов топливо- и маслопроводов высокого давления; появлении необычных шумов, стука и скрежетов в турбине или компрессоре, а также, искр или дыма из подшипников и концевых уплотнений; внезапной сильной вибрации, взрыве в камерах сгорания или газопроводе; воспламенении масла или топлива вне камеры сгорания и невозможности потушить пожар немедленно.

Полный перечень ситуаций, при которых персонал должен немедленно остановить ГТУ, приведен в местных инструкциях.

Не всякая неполадка немедленно ведет к тяжелым авариям. В некоторых случаях нет необходимости немедленно отключать ГТУ, а целесообразно остановить ее так, как это делают при плановом останове. Это допустимо, например, при заедании стопорных, регулирующих и антипомпажных клапанов, обледенении воздухозаборника, неисправности отдельных защит или оперативных контрольно-измерительных приборов и др. Эти случаи также оговорены в местных инструкциях. Персонал должен четко и безошибочно определять ситуацию и принимать решение о немедленном останове ГТУ или останове с разгрузкой.

Все валы ГТУ оснащены валоповоротными устройствами, которые предназначены для медленного проворачивания нагретых роторов, что необходимо для их равномерного остывания. Если ротор не проворачивать, то в результате более интенсивного остывания нижней части он при естественной конвекции изогнется вверх. Вращение ротора в прогнутом состоянии приводит к задеваниям и повышенной вибрации, что делает невозможным эксплуатацию ГТУ. Время проворачивания и потребная дли этого мощность оговариваются для каждого вала ГТУ. Значение тока, потребляемого электродвигателем валоповоротного устройства, заносят в суточную ведомость при каждом останове ГТУ.

Техническое обслуживание и ремонт ГТУ. Безопасность труда при обслуживании газотурбинных установок

Техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты ГТУ проводятся по планам, которые составляются в соответствии с требованиями инструкций заводов-изготовителей. Периодичность технического обслуживания и ремонтов зависит также от режима работы ГТУ, количества пусков, вида топлива. Кроме того, принимается во внимание состояние основного и вспомогательного оборудования ГТУ.

Операции по техническому обслуживанию проводятся в определенной последовательности и в установленные сроки. На каждой станции утверждается регламент технического обслуживания ГТУ и оговаривается технология выполнения регламентных работ. В регламентные работы входят, например, периодическая очистка турбин, компрессоров и теплообменников, осмотр лопаток турбин и компрессоров, проверка плотности газового и воздушного трактов, трубопроводов, шиберов и арматуры. Важным этапом регламентных работ является проверка исправности системы автоматического регулирования и защиты ГТУ.

Проверку работы автомата безопасности с увеличением частоты вращения ротора проводят после каждой его разборки, перед испытанием ГТУ на сброс нагрузки и после длительного его простоя (более 1 месяца). Не менее одного раза в 4 месяца проверяют исправность защиты от превышения температуры газа перед турбинами.

В программу регламентных работ входят также контрольные пуски ГТУ, при которых измеряют параметры, позволяющие определить соответствие режима пуска заданному режиму.

Система регулирования при мгновенном сбросе нагрузки должна удерживать ГТУ в режиме, при котором не срабатывала бы ни одна из защит, а ГТУ автоматически выходила бы на холостой ход. Регламентными работами предусмотрена проверка системы регулирования мгновенным сбросом максимальной нагрузки отключением генератора от сети.

Для диагностирования состояния ГТУ при ее остановах проводят осмотры, целью которых является непосредственное обнаружение неисправностей (износа форсунок, трещин в лопатках, короблений пламенных труб и др.) или установление их по косвенным признакам (например, по наличию кусочков металла, частей лопаток, или поврежденных деталей на выхлопе). Осмотры могут проводиться как без разборки, так и с частичной или полной разборкой ГТУ.

Целью ремонтов, является проведение плановых восстановительных работ или устранение результатов аварий и неполадок. Примером восстановительных работ является замена рабочих лопаток, отслуживших свой срок по запасу длительной прочности, перезатяжка фланцев турбины, замена пламенных труб, отработавших ресурс, перезаливка баббита подшипников. Характер ремонтных работ после аварий зависит от вида разрушений и их последствий. В некоторых случаях восстановительные работы приходится выполнять на заводе-изготовителе.

Все работы по оперативному и техническому обслуживанию ГТУ должны выполняться качественно, в срок, без ущерба для безопасности и здоровья обслуживающего и ремонтного персонала. Обслуживание ГТУ, проведение регламентных и ремонтных работ должны быть организованы так, чтобы производственные травмы и несчастные случаи были исключены. Каждый работник должен знать и строго выполнять правила безопасного обслуживания и проведения ремонтных работ. Администрация обязана обеспечить организационные и технические мероприятия по созданию безопасных условий труда.

Регулярный инструктаж, обучение персонала и постоянный контроль за соблюдением правил техники безопасности на электростанциях обязательны. Ответственность за несчастные случаи несет как администрация, не обеспечивая соблюдение правил безопасного производства работ, так и лица, нарушившие эти правила.

Производственный персонал должен уметь освобождать попавшего под напряжение и оказывать ему первую помощь, а также оказывать первую помощь пострадавшим при других несчастных случаях.

По характеру производственных процессов ГТУ являются агрегатами повышенной пожаро- и взрывоопасности и требуют обеспечения электробезопасности. В этих условиях строжайшее соблюдение правил техники безопасности является насущной и ежедневной необходимостью.