Содержание к диссертации
Введение 5
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ И КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУХОПОДГОТОВИГЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГАЗВПЕРЖАЧИВАЩИХ ГАЗОТУРБИННЫХ АГРЕГАТОВ.. 14
1.1. Атмосферный воздух, как рабочее тело ГТУ. 14
1.2. Определение минимально необходимой степени очистки циклового воздуха ГТУ 20
1.3. Современные защиты ГТУ от атмосферных и промышленных аэрозолей 25
1.4. Анализ конструкций и эффективности систем воздухоподготовки ГТУ 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНШ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГТУ 56
2.1. Обоснование выбора и разработка конструкции инерционного вихревого сепаратора 56
2.2. Предварительное обоснование конструктивных параметров ИВС и рационального диапазона их вариации 63
2.2.1. Размеры вихревой камеры 64
2.2.2. Втулочное отношение 65
2.2.3. Относительная ширина щели отбора воздуха. 2.3. Общая методика исследования циклонных процессов и условия их моделирования 66
2.4. Схема экспериментального стенда и методика проведения опытов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ИВС 78
3.1. Расчетная схема процесса.. сепарации аэрозолей в ИВС 78
3.2. Математическая модель течения воздушного потока в ИВС 78
3.3. Математическая модель движения частиц аэрозолявсепарационной камере ИВС 87
3.4. Алгоритм математической модели и методика расчета эффективности И33с 89
3.5. Аналитический анализ возможности повышения производительности ИВС ™
3.6. Результаты "машинного" эксперимента по определению степени сепарации монодисперсных фракций аэрозоля
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ ПОТОКА И ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ ЧАСТИЦ В ИВС 106
4.1. Описание объектов исследования 106
4.2. Экспериментальное определение скоростных полей в сепарационной камере ИВС 109
4.3. Гидравлические потери в элементах ИВС... 115
4.4. Экспериментальное определение зависимости степени сепарации узкодисперсных аэрозолей от конструктивных факторов... 119
4.5. Экспериментальное определение зависимости степени сепарации .узкодисперсных аэрозолей от режимных факторов 21
4.6. Экспериментальное исследование мероприятий по .увеличению эффективности очистки воздуха в ИВС 125
4.7. Экспериментальное исследование сепрации капель воды в ИВС 130;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ш
5. РАЗРАБОТКА и ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БЛОЧНЫХ СЕРИЙНЫХ ИВС ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ГТУ 134
5.1. Инженерная методика расчета ИВС 134
5.2. Разработка и результаты испытаний блочных серийных конструкций ИВС для систем воздухоподготовки ГТУ 136
5.3. Разработка конструкций серийных СВ для различных .условий эксплуатации ГТУ 139
5.4. О сочетании внешних и внутренних способов защиты ГТУ от воздействия аэрозолей и разработка автономной СВ на базе ИВС... 142
6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 1
Введение к работе
В свете проблемы экономии топливо-энергетических и материальных ресурсов страны, выдвинутых ХХУІ сьездом КПСС, актуальное значение приобретают задачи, связанные с обеспечением надежности, долговечности и поддержанием на спецификациояном уровне основных параметров и характеристик газотурбинных установок ЛГУ/ в процессе эксплуатации [I,2j .
Накопленный опыт работы ГТУ в промышленной энергетике свидетельствует о возможностях значительного ухудшения их термодинамических и прочностных характеристик из-за воздействий на проточную часть ГГУ промышленных и естественных аэрозолей, поступающих с цикловым воздухом. Широко наблюдаются следующие результаты воздействия аэрозолей; эрозионный износ лопаток компрессора, турбины и других деталей; отложения аэрозольных частиц в проточной части, изменяющие конфигурацию и шероховатость поверхности лопаток, что нарушает их рабочие и прочноет-ные характеристики; усиление коррозии лопаток и других деталей ГТУ и т.д. [3-6] . Определенное влияние на мощность и к.п.д. ГТУ оказывают сезонные и суточные колебания температуры, влажности, давления и силы ветра атмосферного воздуха /7-10] : увеличение температуры и уменьшение давления относительно спецификационных расчетных значений вызывает снижение мощности и к.п.д. ГТУ; увеличение влажности уменьшает к.п.д. компрессора и ГГУ, в целом, а при низких температурах вызывает обледенение входного тракта; изменение силы и направления ветра приводит к некоторому изменению статического давления, равномерности скоростного поля во входном тракте ГТУ и силы тяги в дымовой трубе.
В реальных условиях эксплуатации ГТУ имеет место комплексное /совместное/воздействие вышерассмотренных атмосферных факторов на работу установок. Например, колебания температуры атмосферного воздуха сопровождаются колебаниями его влажности, изменение силы ветра - изменением запыленности, влажность твердых аэрозольных частиц меняется в зависимости от температуры и влажности воздуха, что сказывается на процессе образования отложений частиц на лопатках (Ж, ГТУ и процессах эрозии и коррозии. Воздействие осадков и процесс обмерзания входного тракта и компрессора ГТУ также зависят от температуры и влажности воздуха.
Различным методам защиты ГТУ от воздействия атмосферных факторов, изучению конструкций, режимов работы и опыта эксплуатации отдельных устройств и их комплексов посвящены исследования многих отечественных и зарубежных авторов [5,8-11, 13,16, 17, 19-21, 25-32, 35, 49, 50, 56, 58-60J , которые показывают, что в настоящее время проблема защиты ГТУ от воздействия аэрозолей и колебаний входных параметров воздуха решается, в основном, путем установки в воздухозаборных камерах ГТУ различных устройств для очистки воздуха от аэрозольных частиц, устройств испарительного охлаждения воздуха и устройства защиты от обледенения, образующих, так называемую, систему воздухоподготовки УСВУ, в которую входит и система щумоглушения. Количество устанавливаемых устройств определяется климатическим районом расположения ГТУ по состоянию запыленности и годовому ходу температур атмосферного воздуха [4,5,25J . Разработан ряд предложений по повышению невосприимчивости ГТУ к воздействию отдельных атмосферных факторов путем применения поворотных сопловых аппаратов трубины и направляющих лопаток 0К, специаль - 7 ных приемов профилирования и обработки поверхностей, очистки проточной части от загрязнений "на ходу" и др. (4,12,31, 36,38] .
Из внешних методов защиты ГТУ от атмосферных аэрозолей наиболее изучены и получили широкое распространение в СССР и за рубежом инерционные жалюзийные сепараторы и прямоточные батарейные циклоны, различные масляные фильтры, сухие полуавтоматические фильтры со сменными кассетами фильтрующего материала, а в некоторых зарубежных ГТУ - рукавные фильтры (4,5,17,22, 31, 40-47] . К сожалению, при проектировании воздухоприемных камер с данными воздухоочистительными устройствами недостаточно учитывались как особенности работы ГТУ /высокие расходы циклового воздуха ,малая продолжительность работы при высокой запыленности, особенности компановки и управления работой воздухоприемных камер и др.У, так и климатические особенности эксплуатации Уход температуры и влажности воздуха, вид и свойства пылевых включений, комплексное воздействие атмосферных факторов./. Фактически при создании большинства воздухоочистительных устройств УВОУ/ ГТУ непосредственно применялись пылеуловители, созданные в свое время для других отраслей техники, без достаточного учета специфики ГТУ. Причем применение того или иного типа ВОУ производилось без достаточных научно-технических обоснований, зачастую исходя из субьективных и организационных соображений (17,31,49,51] . Степень изученности, конструктивной разработки и внедрения указанных методов и средств защиты весьма различна. Специальную задачу представляет очистка рабочего тела ГУБТ [100] .
Из методов сохранения мощности ГТУ при повышенной температуре наружного воздуха сравнительно хорошо изучены методы непос - 8 -редотвенного впрыска воды в проточную часть ГТУ и испарительного охлаждения. В СССР и за рубежом в эксплуатации на КС магистральных газопроводов находится ряд систем испарительного охлаждения ГТУ [17,42, 60] . Имеетоя ограниченное число установок, использующих внутренний метод защиты: поворотные направляющие лопатки компрессора и сопловые лопатки турбины, которые значительно уменьшают влияние колебаний параметров атмосферного воздуха на мощность и к.п.д. ГТУ. Основными трудностями при осуществлении и эксплуатации устройств испарительного охлаждения являются борьба с уносом влаги в проточную часть и забиванием форсунок, а также подготовка воды для впрыска в поток воздуха [17] . Одним из органических недостатков внешнего и внутреннего испарительного охлаждения рабочего тела является повышение расхода воды на собственные нужды ГТУ. Необходимо отметить, что непосредственное использование для расчетов и проектирования устройств испарительного охлаждения и форсунок для впрыска воды в проточную часть ГТУ результатов исследований кондиционеров, топливных форсунок и др., хотя на первой стадии разработки защитных устройств оправдано, однако не позволило учесть специфические особенности работы данных устройств в составе ГТУ, связанные с уносом воды в проточную часть и образованием тем самым отложений и повышением сопротивления входного тракта ГТУ. Эти обстоятельства отрицательно сказалсиь на результате внедрения ряда устройств, дискредитируя идею испарительного охлаждения.
Для защиты ГТУ от комплексного воздействия низких температур, влажности и осадков, которое приводит к угрозе обмерзания входных устройств и ОК, применяются как внешние методы подогрева воздуха в воздухопрриемном тракте, тзди внутренние методы обогрева входных лопаток и патрубка ОК [31,99] . Для подогрева воздуха широко используетоя тепло уходящих газов или воздух, отбираемый после ОК или регенератора ГТУ. Последнее явно термодинамически «целесообразно, однако в ряде случаев допустимо при низких температурах наружного воздуха, когда имеется запас располагаемой мощности ГТУ.
Количество специальных исследований и обоснований выбора воздухоочистительных устройств и системы испарительного охлаждения промышленных ГТУ ограничивается выполненными в последние годы работами [4,5,I7,3lJ и сотрудников американской фирмы AAF [17] , которые легли в основу создания систем воздухоподготовки УСВУ ГТУ. Результаты испытаний и опыт эксплуатации первых отечественных и зарубежных СВ свидетельствуют о необходимости дальнейшего улучшения степени очистки воздуха, надежности работы в сложных климатических и погодных условиях при значительном снижении весовых и габаритных характеристик СВ. Данная задача может быть решена путем создания высокоэффективных блочных СВ, в которых различные процессы воздухоподготовки Уочистка, испарительное охлаждение, шумоглушение и другиеУ могут совмещаться в одних и тех же устройствах. Эффективность применения принципа совмещения доказана промышленными испытаниями СВ с насадочным фильтром-теплообменником для ГТ-700-5 [42] . Для ГТУ большей мощности применение данного типа СВ связано со значительным ростом стоимости, габаритов, воздухозаборных камер УВЭСУ и сложностью обеспечения высокой равномерности орошет ния насадки и скоростного поля в камере.
Поэтому для перспективных компактных ГПА. мощностью 16 и 25 мгвт Уральского турбомоторного завода предложена малогабаритная конструкция СВ, основным элементом которой является блок инерционных вихревых сепараторов УйВСУ [97] , представляющих разновидность прямоточных циклонов ВТИ. Отгоследних ИВС /см. рис.1/ отличается конструкцией завихрителя, который обеспечивает переменную по высоте закрутку потока / максимальную в центре камеры и минимальную у стенок/, возможностью установки внутренних жалюзийных отражателей и использования электростатического эффекта для ликвидации явления вторичного уноса. Предварительно выбор конструкции был обоснован наиболее благоприятными соотношениями степени очистки и критерия Эйлера у существующих прототипов ИВС, по сравнению с другими типами приемлемых для ГТУ воздухоочистителей. Кроме этого,конструкция ИВС открывает широкие возможности осуществления принципа совмещения процессов воздухоподготовки и шумоглуше-ния,технологична в изготовлении и отработке в лабораторных условиях отдельных блоков и секций.
Целью настоящей работы является исследование влияния конструктивных параметров /относительной длины сепарационной камеры, утла установки лопаток и втулочного отношения завихрителя,размеров щели кольцевого отбора запыленного потока/ и аэродинамических режимов работы /среднерасходной скорости воздуха, величины отбора воздуха,соотношений осевой и тангенциальных скоростей/ на эффективность процесса сепарации в ИВС твердых и жидких аэрозольных частиц различных видов и размеров,характерных для атмосферных аэрозолей на входе в ГТУ и доменной пыли на входе в ГУБТ, а также разработка на базе данных исследований методики расчета и научно обоснованных рекомендаций по проектированию СВ с инерционными вихревыми сепараторами.
В первой главе проанализированы современные методы воздухоподготовки и работа существувдих конструкций воздухоподгото-вительных устройств. На основании данных анализа произведена термодинамическая оценка эффективности применения различных типов СВ, обоснована целесообразность применения принципа совмещения процбцзов воздухоподготовки и ИВС и сформулированы задачи аналитических и экспериментальных исследований.
Во второй главе даны аналитические обоснования конструктивных и режимных параметров ИВС, на базе которых разработаны конструкции экспериментальных образцов, методика исследования, условия моделирования и создан экспериментальный стенд.
Третья и четвертая главы содержат результаты аналитических и опытных исследований газодинамики аэрозольного потока в ИВС, на базе которых разработана высокоэффективная конструкция ИВС .установлены режимы работы и составлена полу эмпирическая методика расчета фракционного коэффициента пылеулавливания для ИВС. Впервые получены данные о влияния электростатического поля и отскока частиц от стенок камеры на эффективность сепарации аэрозолей. Исследована возможность применения и даны рекомендации по модифицированию ИВС для улавливания жидких аэрозолей.
В пятой главе приведены практические результаты исследований: выбор оптимальныхзврактеристик ИВС, принципы рационадь -ного проектирования СВ ГГУ на базе ИВС и результаты испытаний натурного образца серийного ИВС. Даны рекомендации цр проектированию автономных перспективных СВ и по рациональному сочета - ІЗ -нию очистки воздуха в ИВС с "внутренними" методами защиты ГТУ от воздействия аэрозолей.
На основании проведенных исследований, на базе ИВС и с учетом рационального сочетания СВ и внутренних методов зашиты ГТУ от аэрозольных воздействий разработаны конструкции серийных СВ и системы промывки компрессора для промышленных ГТУ типа ГТН-6, НН-25,ГУБТ-12 и ГУБТ-25, изготовляемых на ПО " рбомоторннй за-вод"им.К.Ворошилова. Системы внедрены на КС "Сысерть" ПО "Урал-трансгаз", ПО "Кировский завод" и приняты к внедрению на ПО "Гла-вюготрансгаз" и "Криворожсталь". Годовой экономический эффект от ее внедрения составляет 24 тыс.руб. на один агрегат ГШ-б и свыше 300 тыс.руб. на один агрегат ГУБТ-І2.
Предложена перспективная конструкция автономной СВ с ветро-двигательным приводом вентилятора отбора воздуха.