Исследование и разработка прямоточного циклона с регулируемой жалюзийной решеткой для ГТУ с конвертированными авиационными ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Левин, Артем Юрьевич

• Левин, Артем Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Левин, Артем Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ИНЕРЦИОННОЙ 13 ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние систем фильтрации циклового воздуха на технические 15 показатели конвертированного газотурбинного двигателя

1.2. Жалюзийные системы инерционной очистки

1.3. Центробежные пылеуловители - циклоны

1.3.1. Возвратно-поточные циклоны

1.3.2. Прямоточные циклоны

1.3.3. Батарейные циклоны

1.3.4. Прямоточные и возвратно-поточные циклоны повышенной 43 эффективности

1.3.5. Направления усовершенствования конструкции 51 прямоточных циклонов

1.4. Цель и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СЕПАРАЦИИ ТВЕРДЫХ 60 ЧАСТИЦ ДЛЯ МОДЕЛЕЙ ПРЯМОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ С ВНУТРЕННЕЙ ЖАЛЮЗИЙНОЙ РЕШЕТКОЙ

2.1.Анализ существующих методик расчета сепарации твердых 60 частиц в прямоточных циклонах

2.1.1. Особенности типовой методики НИИОГАЗа расчета 61 эффективности сепарации циклонов

2.1.2. Эмпирический метод расчета эффективности очистки 61 прямоточных циклонов при масштабном переходе

2.1.3. Метод расчета сепарации твердых частиц предложенный 63 Степановым Г.Ю. и Зицером И.М.

2.2. Описание методики расчета сепарации твердых частиц в б7 прямоточном циклоне со второй ступенью инерционной пылеочистки выполненной в виде жалюзийной решетки

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ 80 ПОТЕРЬ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ЕГО КОНСТРУКЦИИ

3.1. Анализ существующих методик расчета гидравлических 80 потерь в прямоточных циклонах

3.2. Описание методики расчета гидравлических потерь в 81 прямоточном циклоне со второй ступенью инерционной пылеочистки выполненной в виде жалюзийной решетки

4. КОНСТРУКЦИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА С СИСТЕМОЙ 95 АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И АДАПТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА К УСЛОВИЯМ БЛИЗКИМ К ЭКСПЛУАТАЦИИ. ХОД ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ РАЗРАБОТАННОГО АППАРАТА

4.1. Техническое описание стенда

4.2. Разработка конструкции прямоточного циклона с 105 использованием системы активного управления и адаптации технологической системы очистки циклового воздуха к реальным условиям эксплуатации

4.3. Ход проведения испытаний 1 ю

5. ВЕРИФИКАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЛЯ И6

ДВУХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА (РЕЖИМ «ЗИМА»; РЕЖИМ «ЛЕТО»). ПРОВЕДЕНИЕ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И АДАПТАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ циклововго ВОЗДУХА К РЕАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ 5.1. Практические рекомендации по оптимизации конструкции ¡28 прямоточного циклона со второй ступень

6. ВЫВОДЫ

7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1 ч?

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка прямоточного циклона с регулируемой жалюзийной решеткой для ГТУ с конвертированными авиационными ГТД»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных направлений развития газотранспортной системы ОАО «Газпром» является обеспечение надежности и эффективности транспортировки газа. Согласно комплексной программе реконструкции и технического перевооружения газотранспортной системы потребности ОАО «Газпром» в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) до 2020 года оцениваются в 100-125 единиц в год суммарной мощностью 1500-2000 МВт, около 50% из которых приходится на модернизацию [33, 81].

Надежная работа газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных электростанций (ГТЭС) с приводом от конвертированного авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в значительной степени определяется качеством очистки и подготовки циклового воздуха, которое обеспечивают воздухоочистительные устройства (ВОУ). Правильный выбор ВОУ является одним из ключевых факторов, обеспечивающих высокую надежность и экономичность их работы, оптимизацию затрат на плановые остановки, а также снижение до минимума количества незапланированных и аварийных остановок [36]. Следует отметить, что на сегодняшний момент, на большинстве эксплуатируемых ГПА установлены морально и физически устаревшие комплексные воздухоочистительные устройства (КВОУ), фильтрующие элементы которых, по утверждению авторов [44], полностью выработали свой ресурс.

В настоящее время в компрессорном парке ОАО «Газпром» эксплуатируются большое количество ГПА с газотурбинными приводами 2-го и 3-го поколений, требующих уровня очистки циклового воздуха, достигаемого инерционными системами, соответствующих степени очистки Г5...Р7 по ЕМ 779 (задержание пыли А8ЖАЕ 80-90 %) (прямоточные и противопоточные циклоны) [18, 40, 47, 60].

Как известно, примеси, содержащиеся в цикловом воздухе, приводят к изменению характеристик проточной части ГТД. Следствием наличия в цикловом воздухе ГТД твердых примесей является эрозионный износ и

загрязнение лопаточного аппарата осевого компрессора, особенно первых его ступеней, что приводит к снижению мощности всей установки в целом. Это может быть проиллюстрировано на примере трех одинаковых ГТУ, установленных в различных метрологических условиях, на которых наблюдалось снижение мощности во времени, вызванное отложениями пыли на лопатках (см. рис. 1) [49]:

НЮт 1816-%■

1

2

3

/

i 1 / f

/

.......... /

/

/

- _ _ - ■ — —

г, ч

о то зооо вот ?от Рис. 1 Снижение мощности ГТУ во времени, вызванное отложениями пыли на лопатках у трех одинаковых ГТУ, установленных в различных метрологических условиях [49]: на установке 1 после 4000 ч работы падение мощности составило почти 0,2 МВт, на установке 2 после 8000 ч - 2 МВт, а на

установке 3 после 11000 ч - 1,4 МВт При загрязнении газовоздушного тракта (ГВТ) на первых ступенях компрессора образуется налет, в результате чего изменяются аэродинамические очертания лопаток и треугольники скоростей потока воздуха, степень повышения давления в ступени, а также производительность компрессора и как следствие, снижается выходная мощность турбины [47,65].

Значительная часть ГПА ОАО «Газпром» эксплуатируются в сложных природно-климатических условиях с разной степенью запыленности атмосферного воздуха. По данным «НИА-Природа» более 85 % земельного фонда России приходится в зону запыленности «в», около 12 % на зону «б» и менее 1 % на зону «а». При этом состав и концентрация пыли (см. табл. 1) в атмосферном воздухе в различных зонах существенно различаются [13, 43,

70]. По этим причинам требуется индивидуальный подход к конструированию и подбору составляющих компонентов КВОУ [36].

Таблица 1

Зоны запыленности атмосферного воздуха [13, 43, 70]

Зона Концентрация пыли, мг/м3

Запыленности Природно-климатическая Среднегодовая Максимальная (повторяемость менее 1 %) Расчетная

а Пустыня 1,57...2,84 13,1...30,6 2,2

Полупустыня 0,68 13,1 0,7

б Лесостепь и степь 0,26 6,0 0,3

в Тайга и смешанные леса 0,06 0,7 0,1

Лесотундра 0,12 6,2

Тундра 0,02 0,05

Однако следует отметить, что при установке ГПА в зоне запыленности «в» с более низкими, по сравнению с другими зонами, показателями концентрации пыли, требования по очистке циклового воздуха ГТУ не должны снижаться. Серьезную проблему для работы ГТУ, также могут представлять и насекомые. Так, концентрация москитов в зонах тундры, лесотундры и тайги может быть настолько велика, что фильтрующие элементы КВОУ забиваются ими в кротчайшие сроки [24], в результате чего происходит резкий рост перепада давления за фильтрами, что, в свою очередь, может привести к срабатыванию байпасных клапанов и вынужденному останову ГТУ.

Кроме того, при выборе того или иного типа КВОУ необходимо учитывать и конкретное место расположения ГТУ, что может быть

продемонстрировано на следующем примере: в результате измерений уровня запыленности атмосферного воздуха на РТЭС «Люблино» и ГТЭС-12 «Курьяново», расположенных на территории Юга-Восточного округа Москвы на расстоянии около 5 км, было выявлено, что на втором объекте она приблизительно в 4 раза выше, чем на первом. Причинами повышенного загрязнения воздушной среды в зоне ГТЭС-12 «Курьяново» являются: расположенная, в непосредственной близости от ГТЭС, железнодорожная магистраль; развитая промышленная инфраструктура, а также сильные местные ветра, поднимающие и развивающие пыль [35]. Другими словами, при выборе того или иного типа сепарирующей системы необходим тщательный анализ условий окружающей среды [28].

Одним из основных показателей ВОУ, помимо требований к качеству очистки циклового воздуха, является уровень ее гидравлических потерь. Повышенный уровень потерь полного давления в ВОУ приводит к снижению мощности и эффективного к.п.д. ГТД, что влечет за собой дополнительный расход топливного газа и, соответственно, дополнительные эксплуатационные затраты [40, 54].

Также следует отметить, что в эксплуатации современных газотурбинных установках начали широко внедряться конвертируемые авиационные газотурбинные двигатели с высокими значениями коэффициентов полезного действия на уровне 35-40% [19, 29].

В настоящее время на компрессорных станциях созданы и эксплуатируется ряд отечественных конвертированных авиационных газотурбинных приводов мощностью 16 МВт [29]:

- ГТУ-16П (ПС-90ГП-2) - ОАО «ПМЗ» (т;^ =36,3 %);

- АЛ-31СТ - ОАО «УМПО» (г?еу= 35,8 %);

- И др.

Кроме того, использование энергоустановок на базе конвертированных авиационных ГТД большой мощности с высокими параметрами термодинамического цикла является также предпочтительным и при

техническом перевооружении ТЭЦ. Использование ГТУ с конвертируемым авиационным ГТД НК-37 на Безымянной ТЭЦ (Самара, ТЭЦ-1 Казань) позволило получить высокие показатели электрического к.п.д. на уровне 36,4 % при умеренном значении начальной температуры газа (1454 К) [20].

Реализация рабочих циклов таких двигателей потребовала повышения температуры газа перед турбиной до уровня 1300-1400 К и, соответственно широкого внедрения охлаждаемых лопаток турбины. Лопаточный аппарат компрессоров таких двигателей стал оснащаться лопатками, имеющими значительно меньшие геометрические размеры, в том числе на входных и выходных кромках. Данные обстоятельства привели к тому, что двигатели с высокими значениями к.п.д. имеют повышенную чувствительность к абразивному эрозионному износу лопаточного аппарата компрессоров и к засорению охлаждающих каналов в лопатках турбин.

Если для эксплуатации ГТД 2-го и 3-го поколений достаточно инерционной системы фильтрации циклового воздуха [58], то наземные ГТД нового поколения предъявляют повышенные требования к качеству циклового воздуха. В свою очередь, ошибочные решения по компоновке ВОУ снижают надежность и эффективность работы современных эффективных фильтрующих элементов [23, 26, 37]. Так, применение ВОУ на кассетных фильтрах накопительного типа позволяет достичь высокого качества очистки циклового воздуха, однако ограниченная пылеёмкость фильтров не позволяет использовать их в областях с повышенным содержанием пыли [48].

Применение в областях с повышенным содержанием пыли ВОУ на основе инерционных элементов очистки позволяет повысить рентабельность установки за счет отсутствия издержек связанных с внеплановыми остановами оборудования. Однако более низкая эффективность очистки, по сравнению с фильтрами накопительного типа, не позволяет использовать аппараты инерционной пылеочистки в качестве единственной ступени

фильтрации в составе современных ГПА, оборудованных ГТД 4-го и последующих поколений [38].

При установке двухступенчатой ВОУ, состоящей из ступени грубой очистки (инерционные пылеуловители) и ступени тонкой очистки (кассетные фильтра накопительного типа) [31, 49, 61], время работы между сменой фильтров увеличивается с 700 до 22000 час, а между промывками проточной части ГТД с 300 до 3000 час и более [60]. В свою очередь, использование ступени инерционной пылеочистки значительно увеличивает гидравлическое сопротивление системы, что приводит к снижению мощности и эффективного к.п.д. двигателя. Снижение к.п.д. влечет за собой дополнительный расход топливного газа и, соответственно, дополнительные денежные затраты.

Таким образом, при выборе того или иного типа воздухоочистительной системы необходимо руководствоваться такими параметрами как место расположения ГТУ, среднегодовая концентрация пыли в воздухе, совершенство газотурбинного привода и др.

Учитывая особенность работы газотурбинных установок, применяемые в настоящее время технологии очистки и подготовки циклового воздуха для газотурбинных двигателей далеки от совершенства по составу применяемого оборудования. Большое многообразие систем очистки циклового воздуха, наряду с низкой технологичностью и малой пылеемкостью большинства из них, свидетельствуют о большом потенциале для исследования в указанной области и требуют дальнейшего изучения.

В тоже время, изменяющиеся климатические условия атмосферного воздуха требуют разработки и внедрения средств активного управления и адаптации технологических систем очистки и подготовки циклового воздуха к реальным условиям эксплуатации.

Кроме того, в современных прямоточных циклонах для повышения качества очистки циклового воздуха используются различные внутренние жалюзийные решетки [60, 69, 88]. Влияние указанных конструктивных

элементов на показатели эффективности работы прямоточных циклонов не учтено в существующих методиках расчёта данного оборудования. Отсутствие методик расчета внутренних лопаток распрямителя не позволяют использовать известные методы [8, 10, 53, 62, 63] для расчета сепарации твердых частиц и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов с внутренними жалюзийными решетками.

Объектом исследования в настоящей работе является прямоточный циклон со второй ступенью инерционной очистки, выполненной в виде жалюзийной решетки с интегрированной системой активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации системы подготовки и очистки циклового воздуха к сезонным изменениям условий окружающей среды.

В работе рассматривается технология поддержания технических характеристик ГТД на этапе отработки межремонтной наработки путем обеспечения требуемого качества очистки циклового воздуха.

Работа состоит из 5 глав, выводов и списка литературных источников.

В первой главе выполнен обзор существующих систем инерционной очистки и подготовки циклового воздуха, используемых в составе КВОУ ГТУ. Выявлены основные проблемы, связанные с использованием различных типов систем очистки и подготовки циклового воздуха. На основе критического анализа литературных данных, представленных в указанном обзоре, установлены направления исследования и сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ существующих методик расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой по литературным данным. На основе анализа указанных методик выявлены особенности, указывающие на ограничения использования существующих методик для расчета моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой. В этой же главе разработана методика расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных

циклонов с внутренней жалюзийной решеткой, устраняющая указанные ограничения и проведена её верификация.

В третьей главе выполнен анализ существующих методики расчета гидравлического сопротивления прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой по литературным данным. На основе анализа указанных методик выявлены особенности, указывающие на ограничения использования существующих методик для расчета моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой. Разработана методика расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой, устраняющая указанные ограничения и проведена её верификация. В этой же главе сформулированы практические рекомендации по оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой.

В четвертой главе представлены особенности разработанной конструкции прямоточного циклона с системой активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации системы подготовки и очистки циклового воздуха к сезонным изменениям условий окружающей среды. Приведено описание экспериментального стенда, а также изложен ход проведения экспериментальных исследований разработанного циклона в стендовых условиях для верификации полученных данных с расчетными значениями и подтверждения работоспособности системы активного управления положением жалюзийных решёток в условиях приближенных к эксплуатационным.

В пятой главе проведена верификация предлагаемых методик расчета для двух режимов работы прямоточного циклона (режим «зима»; режим «лето»). Проведена оценка работоспособности и эффективности системы активного управления положением жалюзийных решёток и адаптации технологической системы очистки и подготовки циклового воздуха к сезонным изменениям условий окружающей среды.

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ИНЕРЦИОННОЙ ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Как известно, существенное влияние на эффективность работы ГТУ с приводом от конвертированного ГТД оказывает правильный выбор ВОУ. Считается, что решающее влияние на надежность работы всей газотранспортной системы оказывает надежность ГПА [7]. Согласно [16] надежность является комплексным свойством, включающая в себя, в зависимости от назначения объекта и условий его применения, безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или сочетание этих свойств. Применительно к компрессорным станциям, в том числе и к ГПА, надежность может быть определена как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [1, 16].

К наиболее часто встречающимся отказам ГТД относится разрушение лопаток осевого компрессора, возникающие вследствие образования усталостных трещин или попадания в проточную часть посторонних предметов; разрушение лопаток турбины, вызванное превышением предельно допустимой температуры; помпаж осевого компрессора, вызванный обледенением решеток ВОУ, загрязнением проточной части, по причине забоин на рабочих лопатках или их разрушением и др. [1].

ГОСТ 28775-90 «Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия» устанавливает следующее требование к надежности ГПА: средняя наработка на отказ - не менее 3,5 тыс. ч. Причем, критерием отказа является любой аварийный останов ГПА, как по причине вынужденных остановов, выполняемых обслуживающим персоналом из-за нарушения работоспособности ГПА, так и по сигналу агрегатной системы автоматического управления (САУ) [17]. Под отказом

понимается нарушение работоспособности ГПА. Причиной отказа по сигналу САУ могут быть:

- Аварийное срабатывание байпасного клапана, вызванного засорением фильтрующего элемента;

- Резкий рост перепада давления сверх допустимых значений при обмерзании фильтра;

- И др.

Технология поддержания технических характеристик ГТД на этапе отработки межремонтной наработки представляет из себя комплекс мер, основной задачей которых является обеспечения требуемых показателей надежности всей системы на требуемого уровне за указанный период.

Опыт эксплуатации ГТД показывает, что уровень потерь, связанных с работой ГТУ, возникающих по причине неправильного подбора системы очистки и подготовки циклового воздуха, составляет порядка 80 % от уровня всех возместимых потерь [77].

Таким образом, обеспечение требуемого качества очистки циклового воздуха на требуемом уровне, которое обеспечивается в ВОУ, является первостепенной задачей с точки зрения поддержания показателей надежности всей системы в целом в процессе отработки межремонтной наработки. Кроме того следует отметить, что использование в ВОУ ступени инерционной очистки (а именно циклонов) в зонах с повышенным содержанием пыли благоприятно сказывается на показателях надежности (по сравнению с фильтрами накопительного типа), т.к. циклоны не имеют сменных элементов и не требуют вынужденных остановов оборудования.

Правильно спроектированная система очистки циклового воздуха позволяет обеспечить надежность ГТУ: достичь требуемой эффективности очистки, снизить загрязнение и эрозию лопаток компрессора, т.е. создать основное условие для поддержания высокого к.п.д. [11].

По данным авторов [49] существует три основных способа борьбы с эрозией и отложениями на лопатках осевого компрессора.

Первый из них заключается в предотвращении попадания абразивно опасных частиц в двигатель. Для этого требуется высокоэффективные воздушные фильтры.

Второй способ допускает наличие остаточной пыли за фильтрами, но предусматривает использование более толстых профилей лопаток, усиление сопротивляемости эрозии за счет покрытия защитными материалами, применение специальных материалов или способов их обработки.

Третий способ заключается в правильном выборе места расположения ГТУ. Однако следует отметить тот факт, что чаще всего место расположения заранее определено, и основным способом борьбы с эрозией и отложениями на лопатках осевого компрессора является подробный мониторинг окружающей среды для определения всех влияющих факторов.

На сегодняшний момент, для очистки и подготовки циклового воздуха необходимого качества на входе в ГТД устанавливаются ВОУ различного конструктивного исполнения [32], предназначенные для снижения концентрации примесей до значений, исключающих их влияние на осевой компрессор, и препятствующие попадание в двигатель атмосферных осадков, кусков снега, льда и прочих сторонних предметов.

1.1. Влияние систем фильтрации циклового воздуха на технические показатели конвертированного газотурбинного двигателя

Как было указанно ранее, вопрос очистки и подготовки циклового воздуха важен с точки зрения обеспечения надежной и эффективной работы ГТУ с приводом от конвертированного авиационного ГТД. Снижение к.п.д. осевого компрессора на 1%, вызванное его загрязнением, ведет к уменьшению к.п.д. всей установки на 1,5% [22].

Эрозионный износ пера лопаток компрессора двигателя НК-16СТ в эксплуатации, вызванный не отсепарированной пылью и мелким абразивом, вызывает изменение геометрических параметров профиля рабочих и направляющих лопаток (рис. 1.1.1) [46]:

Износ и утонение выходной кромки со стороны корытца лопатки 1; Износ и утонение входной кромки со стороны спинки 2; Уменьшение хорды в периферийных сечениях на высоте 10...15 мм на величину от 1,0 до 3,5 мм и более за 25000 часов работы ГТД.

Напрадляющие лопатки

Рабочие лопатки

А-А(21)

Б-Б(2:1;

Рис. 1.1.1 Внешний вид эрозионного износа лопаток компрессора [46] В свою очередь, эрозионный износ вызывает [46]:

- снижение усталостной прочности лопаток, уменьшение ресурса и надежности газогенератора;

- снижение газодинамической устойчивости компрессора;

- увеличение газодинамических потерь, снижение степени сжатия, снижение к.п.д. компрессора и ухудшение экономических параметров газогенератора в целом;

- разрушение лопаток компрессора и досрочный съем газогенератора с эксплуатации.

Качественно выполненный процесс очистки и подготовки циклового воздуха позволяет значительно продлить срок службы газогенератора, однако, при этом растет уровень потерь полного давления на входе в

двигатель и, как следствие, ухудшаются его параметры (снижение эффективного к.п.д. и мощности ГТД).

Повышенное гидравлическое сопротивление ВОУ, также неблагоприятно сказывается на технических параметрах двигателя. Это может быть продемонстрировано на примере влияние потерь давления на входе в двигатель НК-16-18СТ на снижение мощности и эффективного к.п.д. (рис. 1.1.2, 1.1.3) [46].

АН МВт О

-0,2 ■ -0,4 -Об -0.8-1

1

1 ч, \ а=а ?/75/

1

1 N

1

1 N

1

1

1

1

1Ш1Й1! !№1!Ш Щ11М ПИШИ ШИЫ! ШИШ! |Ш||||1 ¡НШШ шшш

О 40 80 120 160 200 Рис. 1.1.2 Влияние потерь давление на входе в двигатель НК-16-18СТ на

мощность [45, 46]

и * >1

О

0,1 -0,2-0.3

-ол

-0,5

1

1 N <ап З-/

1

щ

=

1

1

||!Н!!П||

н

1

шшш ышш 1ШШ11 шшш 11ШШ! ШШШ 11111Н11|П|1Ш11 шшш 1Ш1Ш1

мм бой ст.

О

Ю 80 120 160 200 Рис. 1.1.3 Влияние потерь давление на входе в двигатель НК-16-18СТ на

эффективный к.п.д. [45, 46]

Применительно к газотурбинным электростанциям (ГТЭС) с приводом от современного двухвального ГТД мощностью 30 МВт, рассчитанного на длительную нагрузку, с удельной мощностью 350 кВт*с/кг (NyH(:] - N/GB) и

оптовой стоимостью энергии 1,75 р/кВт*ч увеличение загрязнения проточной части и перепада давления может привести к годовым расходам на потерянную энергию от 3 млн. 900 тыс. до 75 млн. рублей (в зависимости от типа применяемой фильтрующей системы). Дополнительные ежегодные расходы на топливо (при стоимости 118 руб./ГДж) для поддержания максимальной мощности будут составлять от 450 тыс. до 18 млн. рублей [47].

Учитывая тот факт, что основная часть мощности (и, как следствие, энергии) вырабатывается с применением газотурбинных технологий, даже незначительная увеличение эффективности ГТУ может существенно увеличить рентабельность всей системы в целом [85].

Так, использование более совершенных систем фильтрации позволяет снизить уровень гидравлических потерь на входе в двигатель и, как следствие, уменьшить расход топлива и увеличить энергетическую эффективность установки, что отвечает современным требованиям в области энергосбережения и эффективного использования природных ресурсов [75]. Применительно к двигателю НК-16-18СТ уменьшение потерь на входе АР*х на 200 Па позволит снизить расход топлива АGT на 4,72 кг/час [46]. За время межремонтного ресурса (25000 часов), при средней стоимости газа 4021 руб (размер оптовых цен для промышленности в московском регионе с 1.07.2013 [52]) за 1000 м3, уменьшение гидравлического сопротивления на 200 Па позволит снизить расходы на топливный газ для собственных нужд из расчёта на один ГТД до 697 764 руб за 25000 часов работы ГТД. Где 25000 часов установленный в России период межремонтной наработки.

1.2. Жалюзийные системы инерционной очистки

Согласно ГОСТ 25199-82 жалюзийный пылеуловитель - это инерционный пылеуловитель, в котором отделение пыли от газового потока

осуществляется в результате резких поворотов потока между лопастями жалюзийной решетки, удара и отражения пылевых частиц от поверхности решетки [14].

В жалюзийных пылеуловителях пыль выделяется из газового потока под действием инерционных сил при изменении направления движения запыленного потока [72]. Жалюзийные аппараты благодаря простоте конструкции, дешевизне и малому гидравлическому сопротивлению находили широкое применение для очистки газов [68]. Так, на первых ГПА с ГТУ (ГТ-700-4 и ГТ-700-5) для забора и очистки воздуха использовались отдельные сооружения (воздухозаборные камеры) с деревянными жалюзийными решетками (рис. 1.2.1) [60]. Такие устройства обеспечивали очистку с эффективностью класса в1 по ЕК 779 (эффективность очистки, определяемая по синтетической пыли весовым методом (по разнице массовой концентрации частиц до и после фильтра) Ес <65 [18]) и, несмотря на то, что первые ГПА оснащались энергетическими установками на базе газотурбинных двигателей первого-второго поколения, лопатки компрессоров которых отличались относительно толстыми профилями (по сравнению с лопаточным аппаратом современных ГТД) и обладали пониженной чувствительностью к абразивному эрозионному износу лопаточного аппарата компрессоров, эффективность очистки была недостаточна для работы ГТУ.

Рис. 1.2.1 Воздухозаборная камера [60] Помимо воздухозаборных камер с деревянными жалюзийными решетками на первых ГПА для забора и очистки воздуха использовались отдельные сооружения (рис. 1.2.2) [60], принцип действия которых

основывался на развороте воздушного потока на 180° над поверхностью масла. Эффективность очистка воздуха таких аппаратов была сравнима со степенью очистки в воздухозаборных камерах с деревянными жалюзийными решетками.

Рис. 1.2.2 Разворот воздушного потока на 180° над поверхностью масла [60] Следующим шагом в развитии стали ВОУ на основе инерционно-жалюзийных сепараторов (ИЖС) (рис. 1.2.3, 1.2.4) [60]. Они устанавливались на всех вновь вводимых типах ГТУ ГПА во всех климатических зонах (ГПА-Ц-16; ГПА-Ц-6,3; ГПУ=10; ГТН-6; ГТК-10-4; ГТН-25; ГТН-25-1; ГТК-25И; ГТ-6-750 и др.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Левин, Артем Юрьевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антипов Б.Н., Егоров И.Ф., Бандалетов В.Ф., Ногин Е.М. Эксплуатационная надежность парка ГПА - основа стабильной работы газотранспортной системы ОАО «Газпром» // Газотурбинные технологии. - 2009, №1. - С. 4-7.

2. Асламова B.C. Процесс сепарации в высокопроизводительных циклонах и методы их расчета // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора наук. - Томск, 2009. - 40 с.

3. Асламова B.C. Расчет гидравлического сопротивления прямоточного циклона с промежуточным отбором // Известия Томского политехнического университета. - 2008. Т.313. №4.

4. Асламова B.C., Асламов A.A., Жабей A.A., Аршинский М.И. Эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе // Химия и химическая технология. - 2008. Т.51, вып. 12. - С. 80-83.

5. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. - М.; Профиздат, 1965.-608 с.

6. Буссройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. - М.: Мир, 1975.-373 с.

7. Бушуев А.Б., Бабин А.Ю., Теплоухов Г.Н. Обеспечение надежности ГПА серии «Урал» // Газотурбинные технологии. - 2009, №8. -С. 20-22.

8. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 210 е.: ил., библиогр.

9. Вяххи И.Э., Прядко А.И., Пульнев С.А., Юдин В.И., Лопота В.А.. Привода и робототехнические системы с использованием материалов с эффектом памяти формы.// Конверсия, 1997, N6, С. 16-19.

10.Гидравлика и теплотехника: сб. описаний лаб. Работ для направления подготовки специалистов 656600 «Защита окружающей среды» по специальности 280201 «Охрана окружающей среды и рационального

использования природных ресурсов» / сост. Е.Г. Казакова, T.JI. Леканова, H.A. H.A. Корычев; Сыкт. Лесн. Ин-т. - Сыктывкар: СЛИ, 2006. - 140 с.

Н.Горчев C.B. Воздушные фильтры Camfil Farr для воздухозаборников газовых турбин // Газотурбинные технологии. - 2008, №10. - С. 36-38.

12.Горшков А.П. Рынок ГТУ: ситуация меняется // Газотурбинные технологии. - 2007, №1. - С. 2-3.

13.ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

14.ГОСТ 25199-82 Оборудование пылеулавливающее. Термины и определения.

15.ГОСТ 25757-83 Пылеуловители инерционные сухие. Типы и основные параметры.

16.ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определния.

17.ГОСТ 28775-90 Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия.

18.ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.

19.Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев C.B., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения - Самара: СНЦ РАН, 2004. - 266 е.: ил.

20.Денисов И.Н., Шелудько Л.П., Постников A.M. и др. Применение мощных конвертируемых авиадвигателей для модернизации ТЭЦ // Газотурбинные технологии. - 2004, №6. - С. 20-22.

21.Жохов В.Л. Невыученные уроки КВОУ Калининградской ТЭЦ-2 // Энергетика. Экология. Экономика. - 2007. №11. - С. 16-21.

22.Жохов B.JI. Обоснованное решение при выборе КВОУ // Турбины и Дизели. 2006, №1. С. 22-26.

23.Жохов В.Л. Сравнительный анализ КВОУ // Газотурбинные технологии. -2007.№2.-С. 2-6.

24.Жохов В.Л. Факторы, влияющие на выбор КВОУ // Газотурбинные технологии. - 2006. №5. - С. 20-22.

25.Жохов В.Л. Факторы, влияющие на выбор КВОУ // Газотурбинные технологии. - 2006. №6. - С. 22-24.

26. Жохов В.Л. Ленев С.Н. Савельев O.A. Анализ конструкции КВОУ на Калининградской ТЭЦ-2 // Газотурбинные технологии. - 2006. №4. -С. 2-6.

27.Жохов В.Л., Савельев О.В., Тимошевский С.А. Новые воздухоприемные устройства ГТЭ-160 на Калининградской ТЭЦ-2 // Газотурбинные технологии. - 2008. №3. - С. 34-37.

28.Жохов В., Шрот Т., Кагна М. Обеспечение качественной фильтрации воздуха для ГТУ // Газотурбинные технологии. -2007, №8. - С. 22-27.

29.3агоринский Э.Е. Эффективность применения отечественных конвертированных авиационных приводов для ГПА мощностью 16 МВт // Газотурбинные технологии. - 2006, №7. - С. 20-23.

30.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 е.: ил.

31.Иноземцев A.A. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / A.A. Иноземцев, М.А. Нихамкин,

B.Л. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т.2. - 366 е.: ил. -(Серия: Газотурбинные двигатели).

32.Калегин A.A., Кислицын Г.Ф., Саков Ю.Л., Саламатова В.М. Унификация конструкций газоперекачивающих агрегатов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2006. - №10. -

C. 13-15.

33.Касаткин Д.А., Пыхтеев Г.В. Реконструкция агрегата ГТН-25/76 на КС «Арская» // Турбины и дизеля. - 2011, №4. - С. 12-13.

34.Коновалов Р.Н., Агафонов A.B. Особенности систем очистки воздуха ГТУ по результатам испытаний и опыту эксплуатации // Газотурбинные технологии. - 2008, №4. - С. 40^42.

35.Коновалов Р.Н., Агафонов A.B. Особенности систем очистки воздуха ГТУ малой мощности по результатам испытаний и опыту эксплуатации // Газотурбинные технологии. - 2008, №5. - С. 40-44.

36.Копсов A.A., Бирблев В.Г., Щедров Е.А. Воздухоочистка на современных ГТУ и ГПУ в России // Газотурбинные технологии. -2010, №2. -С. 30-33.

37.Костюк Р., Блинов А, Крыкин И. Опыт эксплуатации ГТУ V94.2 на Северо-Западной ТЭЦ // Газотурбинные технологии. - 2003. №1. -С. 8-12.

38. Левин А.Ю. Современные технологические системы очистки и подготовки циклового воздуха // XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 22-24 мая 2012 года: материалы конференции. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2013.-Т.П.-396 с.

39.Левин А.Ю., Кесель Б.А. Методика расчета сепарации твердых частиц технологической системы очистки и подготовки циклового воздуха // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №1 - 2013. - С. 19-26.

40.Левин А.Ю., Кесель Б.А. Обоснование оптимального выбора воздухоочистительных систем // Молодежь в авиации: новые решения и передовые технологии: Тезисы докладов VI Международная молодежная научно-техническая конференция авиамоторостроительной отрасли - АО «Мотор Сич». - Запорожье, 2012.-304с.

41.Левин А.Ю., Кесель Б.А. Принципы оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой// Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №2 (70), вып. 2 - 2013. - С. 31-36.

42.Левин А.Ю., Кесель Б.А. Расчет гидравлического сопротивления прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №4 - 2013. - С. 50-56.

43. Лисицына О.В., Подлегаев С.Н., Пчелкин В.В, Сивков Д.И. Современные воздухоочистительные устройства для ГТУ // Газотурбинные технологии. - 2006. №1 (44). - С. 12-14.

44.Лисицына О.В., Подлегаев С.Н., Пчелкин В.В., Шестоперова O.A. Трехступенчатые компакт-кассеты для подготовки циклового воздуха ГПА // Газотурбинные технологии. -2004, №4. - С. 32-34.

45. Лунев H.A. Расчетно-экспериментальное исследование вопросов предварительной очистки циклового воздуха для стационарных газотурбинных установок // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №4 -2010.-С. 21-28.

46.Лунев Н.А, Кесель Б.А., Маргулис С.Г. Совершенствование элементов конструкций ГПА и систем, входящих в их состав. Материалы презентации. Авиамотор, Казань, 2007. 57 с.

47.Маскрофт Ф. Влияние системы фильтрации циклового воздуха ГТУ на эксплуатационные затраты // Газотурбинные технологии. - 2004. №8. -С. 18-22.

48.Маскрофт Ф. Статические и импульсные фильтра. Какие лучше? // Газотурбинные технологии. - 2003. №6. - С. 36-38.

49.Михайлов Е.И., Резник В.А., Кринский A.A. Комплексные воздухоочистительные устройства для энергетических установок. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 144 е., ил.

50.Набиуллин Р.Х. Яблоков A.B., Прокопец А.О. и др.Блочно-модульный ГПА-16 «Арлан». От проекта - к реальности // Газотурбинные технологии. - 2010, №9. - С. 2-7.

51.0ншин H.B. Основы теории планирования инженерного эксперимента: Учебное пособие. МГТУ, 2009. 146 с.

52.Оптовые цены на газ в 2013 г. - Данные с сайта vvww.mosregiongaz.ru.

53.Очистка воздуха при помощи аппаратов типа циклон / Ватин Н.И., Стрелец К.И.. Спб., 2003. - 65 с.

54.Паерелий Д.А., Кесель Б.А. Влияние загрязнения газовоздушного тракта газотурбинных двигателей на экономичность ГТУ и ГПА // Газотурбинные технологии. - 2006, №8. - С. 12-17.

55.Пат. №2240868 РФ, МПК7 В04СЗ/06, B01D45/12. Прямоточный циклон / Кесель Б.А., Воскобойников Д.В., Лунёв H.A.; патентообладатель ООО «Авиатехника». №2001114908/15; заявл. 30.05.01; опубл. 20.06.03, Бюл. №33. С.6.

56.Пат. №2361677 РФ, МПК В04СЗ/00. Прямоточный циклон / Кесель Б.А., Понькин В.Н., Воскобойников Д.В., Лунёв H.A.; патентообладатель ООО КПП «Авиатехника». №2008100562/15; заявл. 09.01.08; опубл. 20.07.09, Бюл. №20. С.8.

57.Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981. - 296 е., ил. - (Охрана окружающей среды).

58.Понькин В.Н., Жильцов Е.И., Кесель Б.А., Корноухов A.A. Комплексные технические решения по повышению эффективности ГПА // Газотурбинные технологии. - 2009, №2. - С. 18-22.

59.Приходько В.П., Пирогова O.A., Прохоров Е.М. Основные принципы создания энергосберегающих устройств циклонного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2006. - №10. - С. 32-33.

60.Пчелкин В.В, Лисицына О.В., Подлегаев С.Н., Прокофьев Л.А., Сивков Д.И. Воздухоочистительные устройства - этапы развития // Газотурбинные технологии. - 2007. №3. - С. 14-19.

61.Рассулов A.M., Фоминых Г.А. ВОУ ГПА серии «Урал» // Газотурбинные технологии. - 2009, №4. - С. 10-12.

62.Расчет пылеуловителей. В 3 ч. Ч. 1. Расчет циклонов и рукавных фильтров / Замураев А.Е., Пономарев В.Б. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - 50 с.

63.Расчет эффективности очистки газа в инерционных аппаратах: Учеб. пособие / Василевский М.В., Зыков Е.Г. - Томск: Изд-во ГНУ, 2005. -86 с.

64.Рожнов В.Ф. Основы теории инженерного эксперимента: Учебное пособие. Изд-во МАИ, 2007. 354 с.

65.Рыжинский И.Н., Цодоков В.Г., Михайлов В.Г. Высокоэффективные устройства подготовки циклового воздуха // Газотурбинные технологии. - 2004, №5. - С. 28—30.

66.Славутский JI.A. Основы регистрации данных и планирования эксперимента. Учебное пособие: Изд-во ЧТУ, Чебоксары, 2006, 200 с.

67.Сплавы с эффектом памяти формы / К. ООцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др. / Под ред. Фунакубо X.: Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.

68.Справочник по пыле- и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю. Вельдберг, Б.И. Мягков и др.; Под общ. ред. A.A. Русанова. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 312 е., ил.

69.Степанов Г.Ю., Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители. - М.: Машиностроение, 1986. - 184 е.: ил.

70.СТО Газпром 2-3.5-138-2007 Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам

71.Техника и технология защиты воздушной среды: Учеб. пособие для вузов / В.В. Юшин, В.М. Попов, П.П. Кукин и др. - М.: Высш. шк., 2005. -391 е.: ил.

72.Ужов В.Н. Борьба с пылью в промышленности. - М.: Госхимиздат, 1962.- 184 с.

73.Устройство воздухоочистительное ВОУ-ЮОКРЦ, ВОУ-ПО-4Ц. Сравнительный анализ изменения основных параметров двигателей

НК-16СТ в процессе эксплуатации в составе газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16 КС «Хасырейская» со штатным ВОУ, ВОУ-100КРЦ и ВОУ-110-4Ц. Техн. справка ТС-5509-11 - ОАО КПП «Авиамотор. - Казань, 2011. - 47 с.

74. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Обзор загрязнения природной среды в Российской Федерации за 2005 г. - М: Росгидромет, 2006. - 191 е., ил.

75.Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

76.Циклон. Программа-методика испытаний 118.308.000ПМ - ОАО КПП «Авиамотор. - Казань, 2013. - 52 с.

77.Шваб Ю., Богдан А. Сравнительный анализ различных систем фильтрации, применяемых на ГТУ в России // Газотурбинные технологии. - 2009, №5. - С. 16-20.

78.Шерстюк А.Н., Асламова B.C. Теплоэнергетика. 1990. №5. С. 61-62.

79.Шиляев М.И., Шиляев A.M., Грищенко Е.П. Методы расчета пылеуловителей. Тоиск: Том. гос. архит.-сторит. ун-т. 2006. 385 с.

80.Шнек X. Теория инженерного эксперимента / Пер. с англ. Коваленко Е.Г. / Под ред. Бусленко Н.П. - М.: Изд-во «Мир», 1972. - 381 с.

81.Щуровский В.А. Основные направления развития газоперекачивающей техники // Газотурбинные технологии. -2007, №6. - С. 38—39.

82.Щуровский В. Применение показателя стоимости жизненного цикла ГТУ // Газотурбинные технологии. - 2002, №5. - С. 30-31.

83.Ю. А. Кныш Автоколебания в закрученных струях: монография / Ю.А. Кныш. - Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН. - 248 с.

84.А. с. 617053 СССР, М. Кл.2 В 01 D 45/12. Прямоточный циклон / Ю.А. Кныш, C.B. Лукачев (СССР). - №2410674/23 - 26; заявл. 07.10.76; опубл. 30.07.78, Бюл. №28. - 2 с.

85.Carlo Coltri Инновационные технологии систем фильтрации воздуха в газовых турбинах // Газотурбинные технологии. - 2013, № 1. - С. 18-21.

86.Hoffmann Alex С. Gas Cyclones and Swirl Tubes / Alex C. Hoffmann, Louis E. Stein. Berlin ; Heidelberg : Springer-Verl., 2002. -421 p.

87.Swanborn, R. A., 1988, "A New Approach to the Design of Gas-Liquid Separators for the Oil Industry, Ph.D. Thesis, Technical University Delft, Netherlands.

88.United States Patent 3,019,856 Dust collector / George C. Patterson, Dearborn, Mich., assignor to American Radiator & Standard Sanitary Corporation, New York, N.Y., a corporation of Delaware Filed Dec. 19, 1958, Ser. No. 781,636 2 Claims. (CI. 183-80)

89.United States Patent 3,707,830 Cyclone separator / Karl-Axel G. Gustavsson, Enkoping, Sweden. Assignee: Aktiebolaget Bahco Ventilation, Enkoping, Sweden, Appl. No.: 144,574, Filed: May 18, 1971. Patented Jan. 2, 1973.

90.United States Patent 4,279,624 Downflow separator method and apparatus / Joseph G. Wilson, Appl. No.: 92,343, Filed: Nov. 8, 1979, Continuation of Ser. No. 947,173, Sep. 28, 1978, abandoned. Patented Jul. 21, 1981.

91.Zhao Bing-tao. Effects of flow parameters and inlet geometry on cyclone efficiency / The Chines journal of process engineering. - 2006, Vol. 6 No. 2. -P. 178-180.