2.2 Выбор двигателей судовой энергетической установки
Поскольку проектируемая судовая энергетическая установка будет использоваться в качестве привода генераторов, то нам нужно подобрать такие параметры, чтобы частота вращения генератора и мощность, соответствовала бы значению частоты тока энергетической сети судна. В нашем случае частота тока должна быть равной 60Гц и суммарной мощности 35 МВт. Чтобы обеспечить безопасность мореплавания, наибольшую эффективность энергетической установки на ходовом режиме, а также эффективное использование энергетической установки на таких режимах, как: маневры, стоянка на якоре, погрузка, выгрузка, было выбрано три различных двигателя, способных работать, как единая энергетическая установка и по отдельности. Для обеспечения данной мощности были подобраны следующие двигатели:
Газовая турбина «Siemens SGT-600»
Мощность данной турбины N=25 МВт
Частота вращения n= 3600 об/мин
Паровая турбина «Siemens SST110»
Мощность данной турбины N=7 МВт
Частота вращения n= 3600 об/мин
Дизельный двигатель «Wärtsilä 6L32GD»
Мощность данного двигателя N=3 МВт
Частота вращения n= 720 об/мин
Все двигатели поставляются в собранном виде, испытываются на заводе, имеют все необходимые сертификаты для эксплуатации в море и поставляются с генераторами, обеспечивающие частоту тока 60Гц.
Из расчета ходкости судна видно, что для обеспечения движения судна со скоростью 23 узла и обеспечения питания навигационных и других необходимых потребителей, достаточно использование парогазовой установки, а для экономичного использования топлива во время стоянки будет использоваться дизель-генератор.
Все двигатели будут работать на газе, который испаряется из танков, таким образом, теряется необходимость в наличие основных топливных танках большого объема. В случае возникновения проблем с газовым оборудованием, газовая турбина и дизельный двигатель могут работать на дизельном топливе, не имея при этом слишком большого снижения мощности. В случае остановки всех двигателей, испаряющийся газ будет сжигаться в генераторе инертных газов, который устанавливается на все газовозы для иннертизации танков. Таким образом нет необходимости устанавливать на судно дополнительного оборудования, такого как, установка сжигания газа, имеющая относительно большие габариты, массу и цену.
Газовая и паровая турбины не имеют редукторов, что позволяет повысить КПД турбин и сэкономить цену оборудования, количество обслуживаемого оборудования, расход масла и т.д.
2.3 Описание газовой турбинной установки
Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около 485 °C позволяет получать перегретый пар при давлении около 100 атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор (схема multi-shaft).
Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 60 %. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах 33-45 %, для газотурбинных установок — в диапазоне 28-42 %. Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками и имеют низкая стоимость единицы установленной мощности.
Модуль газовой турбины представляет собой механический силовой двигатель, устанавливаемый на электростанции для привода генератора, питающего электрическую сеть.
В состав силового двигателя газовой турбины входят: компрессор с осевым воздушным потоком, многокамерная система сгорания и трехкаскадная турбина. Основные элементы газовой турбины приведены ниже.
Компрессор с осевым воздушным потоком представляет собой 17-ступенчатый компрессор, в состав которого входят:
Регулируемые направляющие лопатки на входе в компрессор (IGV) для управления воздушным потоком при выполнении последовательностей пуска и подключения нагрузки.
Клапаны удаления воздуха для отвода части воздушного потока при пуске и останове во избежание помпажа.
В состав системы сгорания входят:
Топливные форсунки, установленные на крышке камеры сгорания.
Шесть камер сгорания, в которых постоянно происходит сжигание топлива, обеспечивающее полное функционирование от скорости поджига до полной нагрузки.
Шесть трубок перекрестного поджига, соединяющих камеры сгорания.
Шесть переходных отсеков, соединяющих камеры сгорания с сопловыми аппаратами первой ступени турбины.
Две свечи зажигания для поджига топлива.
Комплект датчиков контроля пламени.
В состав трехступенчатой турбины входят сопловые аппараты первой, второй и третьей ступени и первое, второе и третье рабочие колеса. Турбина и компрессор с осевым потоком установлены на одном валу, который соединен с генератором с передней стороны.
Описание функционирования при номинальной частоте вращения:
Во время работы газовой турбины фильтрованный атмосферный воздух проходит через агрегат впускной смесительной воздушной камеры, а затем сжимается в 17ступенчатом компрессоре с осевым потоком. Сжатый воздух из компрессора поступает в кольцевое пространство, окружающее шесть камер сгорания, далее воздух поступает в пространство между наружным корпусом и внутренней обшивкой камер сгорания и попадает в зону горения сквозь дозирующие отверстия в обшивке каждой камеры сгорания. Топливные форсунки подают топливо в каждую из шести камер сгорания, в которых топливо смешивается с воздухом и загорается. Горячие газы из камер сгорания, расширяясь, поступают в шесть отдельных переходных отсеков, прикрепленных к нагнетательной стороне внутренней обшивки камер сгорания, и далее в секцию трехступенчатой турбины машины. Каждая ступень состоит из ряда закрепленных сопловых аппаратов, за которыми расположен ряд лопаток турбины. В каждом ряду сопловых аппаратов кинетическая энергия струи повышается, что сопровождается соответствующим падением давления, а в каждом последующем ряду вращающихся лопаток часть кинетической энергии струи расходуется на полезную работу ротора турбины. После прохода лопаток 3-ей ступени выпускные газы направляются в выпускной корпус и диффузор. Затем газы поступают в выпускную смесительную воздушную камеру и используются в парогенераторе системы рекуперации тепла. Результирующее вращение вала приводит к вращению ротора генератора, который генерирует электрическую энергию.
Секция компрессора.
Секция компрессора с осевым потоком состоит из ротора компрессора и корпуса компрессора. В корпусе компрессора расположены система поворотных лопаток на входного направляющего аппарата, ступени лопаток ротора и статора и выходных направляющих лопаток.
В компрессоре воздух, находящийся в замкнутом пространстве между лопатками ротора и статора, подвергается каскадному сжатию с помощью рядов поочередно вращающихся (ротор) и неподвижных (статор) профилированных лопаток. Лопатки ротора создают силу, необходимую для сжатия воздуха в каждом каскаде, а лопатки статора направляют поток воздуха так, чтобы он поступал в следующий каскад ротора под правильным углом. Сжатый воздух через нагнетательный корпус компрессора поступает в камеры сгорания. Для охлаждения турбины, и для контроля пульсаций при пуске производится вытяжка воздуха из компрессора.
Система сгорания.
Система сгорания топлива с низким содержанием окислов азота NOx регулирует распределение топлива, подаваемое в многофорсуночное устройства предварительной смеси. Распределение потока топлива в каждой сборочной единице топливных форсунок рассчитывается для поддержания нагрузки узла и распределения топлива для обеспечения оптимальных выбросов турбины.
В состав системы сгорания с противотоком входят 6 камер сгорания, расположенных по периферии нагнетательного корпуса компрессора. Камеры сгорания пронумерованы против часовой стрелки, если смотреть от верхней части машины в направлении нагнетания. В эту систему также входят топливные форсунки, система свечей зажигания, датчики контроля пламени и трубки перекрестного поджига. Горячие газы, образованные при сгорании топлива в камерах сгорания, проходят через переходные отсеки с принудительным охлаждением к турбине.
Воздух высокого давления из нагнетательного корпуса компрессора направляется вокруг переходных отсеков. Часть воздуха поступает в отверстия во втулке принудительного охлаждения для охлаждения переходных отсеков и направляется в поточный рукав. Оставшийся воздух поступает в пространство между поточным рукавом и обшивкой камеры сгорания через отверстия в дальнем торце поточного рукава по направлению потока. Этот воздух поступает в зону сгорания через дозирующие отверстия для обеспечения правильного сгорания топлива и через пазы для охлаждения обшивки камеры сгорания. Воздух поступает в каждую камеру сгорания через шесть форсунок, рассеивающих топливо и смешивающих его с соответствующим количеством воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Секция турбины.
Секция трехступенчатой турбины представляет собой зону, в которой энергия в форме высокотемпературного сжатого газа, производимого в ступенях компрессора и камер сгорания, преобразуется в механическую энергию.
Газовая турбина состоит из ротора турбины, корпуса турбины, рамы выпуска, выпускного диффузора, сопловых аппаратов и обойм.
Ротор турбины в сборе состоит из переднего и заднего валов колёс турбины и колёс турбины первой, второй и третьей ступени в сборе с распорными деталями и турбинными лопатками. Соосность обеспечивается с помощью сопряженных шпунтов на колесах турбины, валах колес и на распорных деталях. Колеса соединены между собой стяжными болтами, проходящими через сопрягаемые фланцы валов колёс турбины и распорные детали. Для минимизации необходимых корректировок баланса выполняется селективное позиционирование элементов ротора.
Валы колёс.
Распорная деталь ротора турбины устанавливается между колесом турбины первой ступени и задним фланцем ротора компрессора в сборе. В состав заднего вала ротора турбины входит опорный подшипник.
Колёса в сборе.
Распорные детали между колесами первой и второй ступеней и колесами второй и третьей ступеней обеспечивают осевое положение отдельных колес. Распорные детали удерживают уплотнительные ленты диафрагмы. Передние и задние фланцы распорной детали 1-2 ступени снабжены радиальными пазами для прохода охлаждающего воздуха. Турбинные лопатки установлены в колёса с ёлочными замками, входящими в ответные пазы в ободах турбинных колёс. Лопатки всех трех ступеней турбины отлиты по выплавляемым моделям и имеют длинные хвостовики. Конструкция лопатки с длинным хвостовиком эффективно защищает крепление подошвы лопатки к ободу диска от высоких температур тракта горячего газа, обеспечивая механическое демпфирование вибраций лопаток. В качестве первой помощи при демпфировании вибраций лопатки второй и третьей ступеней снабжены сцепленными друг с другом бандажами на торце пера лопаток. Эти бандажи также повышают КПД турбины, минимизируя утечки по торцу пера. Радиальные гребешки на бандажах лопаток сочетаются со ступенчатыми поверхностями на статоре, создавая лабиринтное уплотнение, препятствующее утечке газа по торцу пера лопаток.Увеличение размеров лопаток от первой к третьей ступени вызвано падением давления, происходящим вследствие преобразования энергии на каждой ступени, требующего увеличения кольцевой зоны для вмещения газового потока.