Моделирование работы газотурбинной установки SGT5-4000F с исследованием влияния режимных и климатических факторов на устойчивость горения в камере сгорания
И.К. Муравьев, Д.А. Шинкевич
Вестник ИГЭУ, 2024 г. выпуск 1, сс. 12—19
Скачать PDF
Состояние вопроса. При регулировании газотурбинных установок необходимо быть уверенным в стабильном процессе горения в камерах сгорания с учетом динамики процессов и изменений внешних климатических факторов. Несмотря на то что проблемам экспериментальных исследований и математического моделирования процессов в камерах сгорания посвящены многие научные работы, в которых оценивались возможности срыва пламени, расширения нижнего предела горения, определения устойчивого положения фронта пламени и другие, актуальной остается проблема построения математических моделей и на их основе анализа рабочих процессов в камерах сгорания. Целью исследования является моделирование и анализ влияния режимных и климатических факторов на устойчивость процесса горения в камере сгорания газотурбинной установки.
Материалы и методы. Объектом для исследования выбрана газотурбинная установка SGT5-4000F с малоэмиссионной камерой сгорания. Имитационная модель газотурбинной установки разработана в среде динамического моделирования технических систем SimInTech. Исследования выполнены с использованием теоретических методов расчета горения топлива, термодинамических основ теории газотурбинных двигателей, методов математического и имитационного моделирования, а также данных из архива АСУТП.
Результаты. Разработана имитационная модель газотурбинной установки SGT5-4000F, отличающаяся возможностями оценки близости режима работы компрессора к границе устойчивости и определения границ стабильного процесса горения в камере сгорания с учетом климатических факторов внешней среды. Проведены исследования в области устойчивости работы компрессора и камеры сгорания. Проведенные экспериментальные исследования работы газотурбинной установки в области рабочего диапазона нагрузки от 113 до 282 МВт и в диапазонах изменений температуры наружного воздуха от –12 до 30 оС показали, что процесс горения в камере сгорания протекает стабильно во всем диапазоне рабочих нагрузок. Осуществлена верификация полученных результатов путем сопоставления модельных значений с трендами реальных технологических параметров газотурбинной установки, взятых из архива АСУТП электростанции. Выполнена оценка влияния электрической нагрузки на показатели эффективности работы газотурбинной установки при температурах наружного воздуха +30, +15 и –12 оС.
Выводы. По результатам имитационного моделирования модель газотурбинной установки SGT5-4000F признана адекватной. Разработанная модель может быть использована в качестве инструментального средства на стадии функционального и технологического проектирования АСУТП для разработки эффективных систем автоматического управления.
1. Газотурбинные энергетические установки: учеб. пособие для вузов / С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.С. Земцов, А.С. Осыка; под ред. С.В. Цанева. – М.: Изд. дом МЭИ, 2011. – 428 с.
2. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions. Third Edition. – Boca Raton, United States: CRC Press, 2010. – 560 p.
3. Башуров Б.П. Техническая эксплуатация судовых энергетических установок: учеб. пособие. – Новороссийск: МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2007. – 196 с.
4. Инструкция по эксплуатации газотурбинной установки SGT5-4000F, филиал ПАО «ОГК-2»-Киришская ГРЭС. – Кириши, 2017. – 191 с.
5. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech: практикум по моделированию систем автоматического регулирования / Б.А. Карташов, Е.А. Шабаев, О.С. Козлов, А.М. Щекатуров. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 424 с.
6. Введение в работу с программным обеспечением. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech.: учеб. пособие. Ч. 1. – М.: ООО «ЗВ Сервис», 2017. – 109 с.
7. Муравьев И.К., Шинкевич Д.А. Разработка математической модели газотурбинной установки с малоэмиссионной камерой сгорания и особенности ее интеграции в среду SimInTech // Материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. «Энергетические системы» (ICES-2022). Белгород, 2022. – 2022. – Т. 7, № 1. – С. 27–36.
8. Муравьев И.К., Тверской Ю.С. Исследование на математической модели эффективности совместной работы газовой и паровой турбин энергоблока с ПГУ // Автоматизация в промышленности. – 2016. – № 1. – С. 53–57.
9. Буданов В.А., Григорьев Е.Ю. Проектировочный расчет камеры сгорания газовой турбины: учеб.-метод. пособие / ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2015. – 62 с.
10. Коломиец П.В. Расчет горения топлива: метод. указания к практическим занятиям по дисциплине «Химмотология». – Тольятти: ТГУ, 2011. – 38 с.
11. Теория авиационных двигателей. Теория лопаточных машин: учебник для студентов, обучающихся по специальности «Эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» / П.К. Казанджан, Н.Д. Тихонов, А.К. Янко; под ред. П.К. Казанджана. – М.: Машиностроение, 1983. – 217 с.
12. Клячкин А.Л. Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей: учеб. пособие. – М.: Транспорт, 1967. – 196 с.
13. Комаров О.В. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок: учеб.-метод. пособие / О.В. Комаров, В.Л. Блинов, А.С. Шемякинский. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 164 с.
14. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин: пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 392 с.