Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разное  

На правах рукописи

Михайлов Владимир Евгеньевич

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ВОЗДУХОЗАБОРНЫХ ТРАКТОВ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ И ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

12. Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2009аг.

Работа выполнена в ОАО Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования имени И.И.аПолзунова (ОАО НПО ЦКТИ).

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор                        В.Г. Грибин

Доктор технических наук, профессор                        Н.Н. Попов

Доктор технических наук, профессор                        А.И. Кириллов

Ведущая организация - ОАО Силовые машины филиал Ленинградский металлический завод

Защита состоится 16 февраля 2010 г. в 16 часов на заседании специализированного совета № Д 212.229.06 по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ауд. 118 главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Автореферат разослан л________________200  г.

Отзывы на диссертацию, заверенные печатью в двух экземплярах, просим направить в адрес специализированного совета № Д 212.229.06.

Ученый секретарь специализированного совета

Доктор технических наук, профессор                                Кортиков Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

       

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений развития электроэнергетики в нашей стране и за рубежом является строительство электростанций с использованием газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ). ГТУ широко применяются и во многих отраслях промышленности и на транспорте.

Большое влияние на общую экономичность, надежность, долговечность и экологическую безопасность ГТУ и ПГУ оказывает качество воздуха, поступающего в ГТУ, а также эффективность шумоглушащих и противообледенительных  систем.

В настоящее время все более актуальной становится тенденция повышения единичной мощности ГТУ, параметров цикла, экономичности, надежности и увеличения межремонтного периода. Это ужесточает требования к чистоте воздуха поступающего в компрессор ГТУ с минимизацией потерь давления при его подготовке. Последнее требование особенно важно, т.к. потери давления во входном тракте 1000 КПа (100 мм Н2О) снижает мощность ГТУ до 2 %.

Анализ эксплуатационных показателей отечественных и зарубежных ГТУ показывает значительное снижение их эффективности, надежности и долговечности из-за загрязнения, эрозионного износа и коррозии элементов проточных частей.

Воздух, поступающий в компрессор ГТУ, может содержать большое количество взвешенных в воздухе частиц с различными физико-химическими свойствами, оказывающих эрозионно-коррозионное, абразивное и налето-опасное воздействие на элементы проточных частей ГТУ.

Многочисленные исследования и опыт длительной промышленной эксплуатации ГТУ показывают, что ресурс их лопаточного аппарата без использования надежных, эффективных обеспыливающих устройств значительно ниже расчетного.

Защита проточных частей ГТУ должна базироваться на обоснованных значениях начальной и остаточной запыленностей воздуха.

Увеличение мощности и увеличение параметров цикла приводит к возрастанию динамических нагрузок на элементы газовоздушного тракта, что является причиной  значительного звукоизлучения в широком диапазоне частот.

Анализ работы комплексных воздухоподготовительных устройств (КВОУ), воздухозаборных трактов (ВЗТ) и акустических характеристик компрессорного оборудования показывает необходимость проведения работ и внедрения конструктивных мероприятий по снижению уровня потерь давления в элементах тракта, а также шума в них.

Решение проблемы, связанной с разработкой, исследованием, созданием и внедрением оборудования ВЗТ позволяет обеспечить надежную и эффективную защиту проточных частей ГТУ от инородных включений и интенсивного шума, создаваемого компрессором при минимальных потерях. Это имеет важное значение для эффективности энергопроизводства в стране.

Работа соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ, а также критическим технологиям РФ (производство электроэнергии и тепла на органическом топливе) из перечня, утвержденного Президентом РФ от 30.03.2002г.

Объектом исследования и разработки является оборудование ВЗТ, включая и комплексные воздухоподготовительные установки ГТУ мощных ПГУ, их системы и элементы.

Целью исследования является создание новых и совершенствование существующих методов, методик расчета и проектирования средств подготовки воздуха и шумозащитных конструкций воздухозаборных трактов стационарных энергетических газотурбинных установок ПГУ большой мощности.

       

Задачи исследования

• Анализ и систематизация существующих методов подготовки воздуха и шумоглушения.
• Обобщение отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации воздухоподготовительных и шумозащитных конструкций.
• Создание стендов и экспериментальных моделей для аэродинамической отработки блоков ВЗТ и исследования характеристик фильтрующих элементов соответствующих  заданным климатическим и региональным условиям.
• Изучение аэродинамики движения воздуха в элементах ВЗТ с их аэродинамической отработкой на экспериментальных установках, определение влияния режимных и конструктивных параметров элементов ВЗТ на эффективность очистки, подогрева (охлаждения) воздуха, шумоглушения, а также совершенствование существующих, и разработка новых  методик расчета.
• Сопоставление результатов расчетных исследований с результатами  модельных  и промышленных экспериментальных исследований.
• Создание на основе экспериментальных и теоретических исследований, образцов ВЗТ с последующей промышленной апробацией и доводкой на электростанциях, позволяющих обеспечить надежную, экономичную и длительную эксплуатацию ГТУ ПГУ применительно к конкретным условиям эксплуатации. При этом ВЗТ должны состоять из унифицированных, транспортабельных, легко монтируемых блоков с максимальной заводской готовностью.
• Разработка и внедрение в промышленную эксплуатацию ВЗТ: МЭС-60 (производитель ФГУП ММПП Салют) на ТЭЦ-28 ОАО Мосэнерго, ГТЭ-110 (производитель ОАО НПО Сатурн) на Ивановской ГРЭС, ГТЭ-65 (производитель филиал ОАО СМ-ЛМЗ) на ТЭЦ-9 ОАО Мосэнерго, ГТЭ-20С (производитель ФГУП ММПП Салют) на ГТ-ТЭЦ в Нигерии.
• Разработка научно-технических рекомендаций по созданию новых ВЗТ ГТУ энергетических ПГУ, отвечающих требованиям нормативной документации и техническим условиям на поставку основного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработаны и созданы стенды для модельных экспериментальных исследований аэродинамики элементов КВОУ и ВЗТ, систем пылеулавливания и шумоглушения.
• Разработаны методики модельных стендовых и промышленных экспериментальных исследований эффективности элементов и систем, входящих в ВЗТ и ВЗТ в сборе, что даёт возможность на стадии проектирования принимать оптимальные технические решения.
• Получены экспериментальные данные по аэродинамике элементов ВЗТ, потерям давления в них и на их основе разработаны методики аэродинамического расчета элементов (блоков) ВЗТ.
• Разработаны научно-технические рекомендации по типу, конструкции и составу блоков ВЗТ в зависимости от места установки ГТУ, режимов ее работы, концентрации пыли в районе расположения электростанции, фракционного и минералогического состава пыли, процентного содержания в ней химически активных веществ.
• На основе теоретических и стендовых исследований создан и защищен патентом РФ новый модуль ВЗТ, позволяющий реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, влагоудаление и его очистку.
• Разработана концепция снижения уровня шума в ВЗТ, позволяющая повысить экологическую безопасность в месте установки ПГУ.
• Разработана методика расчета и проектирования шумоглушащих систем в элементах ВЗТ.
• Разработана методика расчетов на  прочность ВЗТ и его элементов.
• Разработаны принципы создания и конструкция системы охлаждения воздуха на входе в ГТУ, что существенно улучшает её эксплуатационные характеристики при высоких температурах наружного воздуха.
• Разработаны методика создания и конструкция противообледенительной системы ВЗТ, способствующей повышению надежности ГТУ.
• Разработаны нормативные документы (Общие технические требования к системам фильтрации воздуха для энергетических газотурбинных установок).

Все научные результаты подтверждены стендовыми модельными и промышленными испытаниями натурных ВЗТ, внедренных на ГТУ, входящих в энергетические ПГУ.

Основные положения, выносимые на защиту

• Технические требования, концепция создания, тип основных элементов, их конструктивный профиль для современных ВЗТ, обеспечивающих высокую эффективность, надежность и экологическую безопасность мощных энергетических ГТУ в зависимости от климатических условий их установки, режимов работы, физических и химических свойств и концентрации пыли при работе  ПГУ.
• Результаты комплекса модельных стендовых экспериментальных исследований (в том числе методики) аэродинамики элементов ВЗТ, а также результаты промышленных исследований ВЗТ на электростанциях.
• Расчетные модели аэродинамического и прочностного расчета элементов (блоков) ВЗТ.
• Методика расчета и проектирования шумогасящих систем в элементах ВЗТ.
• Приоритетная конструкция (защищенная патентом РФ) нового модуля ВЗТ, позволяющая реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, его очистку и влагоотделение.
• Принципы создания и конструкция системы охлаждения циклового воздуха на входе в ГТУ, что существенно улучшает эффективность при высоких температурах воздуха.
• Методика создания и конструкция противообледенительной системы ВЗТ.

Достоверность и обоснованность результатов работы определены:

• использованием апробированных методик измерений при проведении экспериментальных исследований;
• полнотой стендовых и промышленных экспериментальных исследований элементов ВЗТ;
• использованием современных апробированных методов планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных результатов;
• удовлетворительным согласованием результатов экспериментальных модельных стендовых исследований и натурных испытаний ВЗТ с данными расчетов по уточненным автором моделям и методикам;
• положительными результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях, а также положительным опытом эксплуатации созданных и реализуемых ВЗТ на электростанциях.

Практическая значимость работы заключается в том, что разра-ботанные с участием автора технические требования к элементам ВЗТ для энергетических ГТУ, концепция создания, тип основных элементов, их конструктивный профиль могут быть использованы при создании ВЗТ современных и перспективных энергетических ГТУ мощных ПГУ. При этом обеспечивается высокая эффективность, надежность и экологическая безопасность ГТУ с учетом места установки, климатических условий, режимов эксплуатации, физико-химических свойств и концентрации пыли.

Разработанные автором: система охлаждения циклового воздуха способствует повышению эффективности ГТУ при ее работе в условиях высоких температур окружающего воздуха, а противообледенительная система  - повышению надежности энергетической установки.

Разработанная приоритетная конструкция нового модуля ВЗТ, позволяющая реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, его очистку и влагоудаление и снижающая его металлоемкость.

Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы при разработке и внедрении в промышленную эксплуатацию ВЗТ для ПГУ типа МЭС-60 (разработчик и производитель ФГУП ММПП Салют), на ТЭЦ-28 ОАО Мосэнерго, ГТЭ-110 (производитель ОАО НПО Сатурн) на Ивановской ГРЭС, ГТЭ-65 (производитель филиал ОАО СМ-ЛМЗ) на ТЭЦ-9 ОАО Мосэнерго, ГТУ-20С (производитель ФГУП ММПП Салют) на ГТ-ТЭЦ в Нигерии.

Результаты работы вошли в энциклопедию Машиностроение том IV-18 (книга 2).

ичный вклад автора заключается в постановке задач исследований при разработке технических требований к КВОУ энергетических ГТУ, концепции создания ВЗТ, определении типа основных элементов, их конструктивного профиля, разработке экспериментальных стендов, методик и программ стендовых и промышленных исследований, анализе и обобщении результатов исследований, сборе данных по повреждаемости проточных частей ГТУ из-за попадания пыли, разработке методики оценки снижения экономичности проточных частей ГТУ, разработке конструкции приоритетного блока ВЗТ, системы охлаждения воздуха и противообледенительной системы, разработке и уточнении методик аэродинамического и прочностного расчета элементов ВЗТ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в ЕЕразличных изданиях (из нихЕЕотносятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в том числе в энциклопедии Машиностроение том IV-18, книга 2, Паровые и газовые турбины,ЕЕ.свидетельство Роспатента.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературных источников, насчитывающего 198 наименований.

Весь материал изложен на 379 страницах машинописного текста, содержит  146 .рисунков и  30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель, основные задачи исследования, выносимые на защиту положения, научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе  рассмотрены варианты существующих в практике современного энергомашиностроения воздухозаборных трактов ГТУ и дан анализ существующих проблем их эксплуатации.

Установлено, что конструктивные схемы воздухозаборных трактов современных ГТУ при существующей унификации имеют большой диапазон изменения величин гидравлических потерь в воздушном тракте КВОУ (555 - 1450) Па, который зависит от аэродинамической схемы воздуховодов и вариантов применяемых фильтрующих элементов.

Показано, что уровень потерь полного давления воздуха в ВЗТ оказывает значительное влияние на работу ГТД. В случае снижения давления на входе во входной патрубок компрессора ГТД происходит уменьшение массовой производительности компрессора, давления нагнетания и, следовательно, мощности,  развиваемой двигателем. Снижается способность компрессора к устойчивой работе при изменении режима работы ГТД. Имеет место тенденция к нарастанию уровня потерь полного давления в ВЗТ в процессе эксплуатации ГТУ.

Анализ показал, что на мировом рынке фильтрующих элементов КВОУ представлен большой выбор эффективных систем фильтрации, обеспечивающих минимизацию уровней гидравлических потерь и непрерывную диагностику состояния фильтрующих элементов.

Разработка высокоэффективных ВЗТ должна осуществляться на основе решения оптимизационной задачи с большим числом взаимозависимых факторов, в качестве которых выступают геометрические размеры, форма, конструкция, элементный состав тракта, характеристики элементов КВОУ, а также режимные рабочие параметры энергетической установки, параметры окружающей среды и характеристики состояния воздушного потока (уровень запыленности и физический состав взвешенных частиц).

Решение данной многофакторной оптимизационной задачи целесообразно осуществлять с применением методов имитационного математического моделирования процессов, имеющих место при движении воздуха в элементах ВЗТ.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, описывающей влияние процессов генерации потерь энергии в элементах воздухозаборного тракта на внешние характеристики энергоустановок.

Разработан единый комплекс математических моделей, описывающих термодинамические и энергетические процессы в отдельных элементах газотурбинного двигателя на основе имитационного моделирования работы ГТУ в условиях влияния эксплуатационных и технологических факторов.

Базовая математическая модель ГТД имеет вид:

где        G - приведенный расход;                n - частота вращения;

       T3 - температура за КС;                         - степень сжатия;

To - температура на входе в ГТД;        е - потери давления;

m = 4,20;                                        с - теплоёмкость;

α - показатель степени;                φк - относительный расход;

F - площадь проходного сечения;

μ - коэффициент расхода;

Δτ - относительный перепад температуры; 

Получена методика расчета величин изменений рабочих параметров ГТД при изменении величины потерь полного давления на входе в компрессорный блок двигателя, вызванных влиянием эксплуатационных факторов.

На основе выполненных расчетов установлено, что с ростом потерь полного давления на входе в компрессор низкого давления ГТД возможно значительное снижение мощности, развиваемой двигателем, повышение абсолютного и удельного расходов топлива.

Сравнение расчетных значений энергетических и термодинамических параметров ГТД  со значениями, полученными в результате стендовых испытаний, показало, что отклонения расчетных величин от экспериментальных не превышает 2,5%, что подтверждает адекватность разработанных математических моделей, лежащих в основе методики расчета.

В третьей главе рассмотрены вопросы влияния процессов обледенения элементов ВЗТ на работу  энергоустановки. Разработаны методы  предотвращения обледенения, реализованные в технических решениях.

Разработан метод охлаждения циклового воздуха, поступающего в компрессор промышленной ГТУ.

На основе анализа причин обледенения элементов ВЗТ, а также существующих технологий предотвращения обледенения и конструкций противообледенительных систем разработаны подходы к проектированию ПОС и требования к их конструкции и эксплуатации.

Спроектированы, изготовлены и введены в эксплуатацию на ряде энергоустановок ТЭЦ противообледенительные системы высокого и низкого давления, показавшие свою высокую эффективность. Выполнены пуско-наладочные, а также дополнительные регулировочные мероприятия с целью обеспечения равномерного обогрева каналов ВЗТ по всей площади размещения фильтрующих элементов и, как следствие, обеспечения равномерной структуры потока на входе в лопаточный аппарат осевого компрессора.

Выполнен анализ существующих систем охлаждения воздуха, а также испарительных систем Туман зарубежных фирм. Системы Туман для испарительного охлаждения воздуха являются более эффективными по сравнению с обычными испарительными системами и находят все большее применение в ГТУ.

Основные преимущества системы Туман:

• обеспечивают ~ 0,7 % прирост мощности на каждый 1,0 С снижения температуры воздуха перед ОК;
• малое место для размещения в КВОУ и незначительные потери давления воздуха;
• минимальное время на установку;
• егкость модернизации - отсутствие структурных изменений в КВОУ.

Недостатки системы Туман:

• большое количество форсунок с мелким распылом (расход одной форсунки 0,15 - 0,17л /мин);
• затруднения в обеспечении точного регулирования подачи воды для  95 % насыщения воздуха перед ОК.

Для системы "Туман" применяются специальные форсунки с диаметром сопла 0,15 0,3 мм и встроенными фильтрами. Для обеспечения требуемого распыла с диаметром капель 12 20 мкм требуется давление в системе 120 140 кгс/см2. Давление воды создается высоконапорными насосами. Для обеспечения ступенчатой подачи воды в зависимости от ta, Pa, атмосферного воздуха применяются насосы с регулируемой частотой вращения вала или несколько насосов. При отключении одного или нескольких насосов прекращается подача воды в несколько рядов форсунок.

Разработана методика и выполнены расчеты количества впрыскиваемой воды и степени охлаждения воздуха при конечной влажности перед ОК 2 = 95 % для системы "Туман" ПГУ-60С. При начальной относительной влажности 1 = 40 % и температуре на входе в КВОУ t1 = 37,8 С для получения относительной влажности воздуха 2 = 95 % перед ОК требуется впрыскивать 22,8 л/мин деминерализованной воды. При этом воздух охладится на 11,5 С.

1 - Труба в сборе;  2 - Форсунка;  3 - Рассекатель;  4 - Пробка;

5 - Втулка резьбовая;  6 - Фильтр

Рис. 1. Форсунка струйная в сборе

1 - Труба в сборе;  2 - Фильтр;  3 - Втулка резьбовая; 4 - Штуцер;

5 - Штуцер нажимной;  6 - Форсунка;  7 - Шайба уплотнительная

Рис. 2.  Форсунка центробежная в сборе

Выполнена оценка влияния температуры впрыскиваемой воды на степень охлаждения воздуха перед ГТУ. Повышение температуры впрыскиваемой воды с 5 С до 40 С понижает степень охлаждения воздуха на 1,14 С, или, повышение температуры впрыскиваемой воды на 10 С понижает степень охлаждения воздуха на 0,32 С.

Спроектированы, изготовлены и испытаны на специальной установке несколько вариантов, конструктивно отличающихся друг от друга струйных и центробежных форсунок.

Величины коэффициента расхода с и угол распыливания удовлетворительно соответствуют универсальным зависимостями.

Разработана технологическая схема испарительной системы Туман для ПГУ-60С. Коллектор-распылитель с форсунками (~ 200 шт.) микродисперсного распыла, 1222 мкм, размещается в КВОУ после фильтров тонкой очистки и перед блоком шумоглушения.

В четвертой главе представлены результаты исследований аэродинамических и энергетических процессов в элементах ВЗТ на акустические характеристики воздухозаборных трактов ГТУ.

На основе анализа аэродинамических процессов в воздухозаборном тракте ГТУ установлено, что наиболее активным источником шума установки является всасывающий воздуховод ее компрессора. Общий уровень шума всасывания компрессора ГТУ достигает 140 дБ. Определены основные технические мероприятия по пассивному шумоглушению в ВЗТ ГТУ ТЭЦ.

Разработаны подходы к проектированию глушителей с учетом общего шумового фона местности, расположения ГТУ, условий ее работы и допустимых акустических норм.

Разработана акустическая модель пластинчатого глушителя воздушного шума и инженерная методика его расчета. Акустическая модель строится на решениях уравнения Гельмгольца с представлением потенциала звуковой скорости в форме

    (2)

где:  и - координаты, направленные вдоль оси канала и по нормали к стенкам, соответственно.

Положительная действительная часть показателя Г определяет скорость затухания звука в глушителе.

Выполнены расчеты пластинчатых глушителей для ряда газотурбинных энергоустановок строящихся ТЭЦ, разработаны конструкции глушителей, проведены натурные испытания, показавшие высокую эффективность изделий и подтвердившие адекватность предложенных математических моделей.

Внешний вид блока шумоглушения ГТЭ-65 представлен на рис. 5.

Рис.5. Внешний вид блока шумоглушения ГТЭ-65

В пятой главе  приведены результаты выполненных исследований эффективности средств очистки воздуха и разработки унифицированных конструкций КВОУ для стационарных ГТУ.

       Проведён анализ средств и систем фильтрации атмосферного воздуха для применения в составе ВЗТ энергетических ГТУ.

       Проведены лабораторные испытания воздушных фильтров для подтверждения возможности их использования в проектируемых КВОУ.

Разработан и защищён патентом РФ  модуль КВОУ (Рис. 6).

Рис.6  Унифицированный модуль КВОУ

Его конструкция позволяет осуществлять компоновку КВОУ на различные расходы воздуха и с различными системами фильтрации.

       Спроектированы и изготовлены модули КВОУ для ВЗТ первой полностью отечественной ПГУ-325 на Ивановской ГРЭС.

       Спроектированы и изготовлены модули КВОУ для ВЗТ новой установки средней мощности ГТЭ-65 производства ОАО Силовые машины филиал ЛМЗ на ТЭЦ-9 ОАО Мосэнерго для работы в условиях повышенного загрязнения атмосферного воздуха..

       Спроектированы и изготовлены модули КВОУ для ВЗТ установки ГТУ-20С производства ФГУП ММПП Салют в тропическом исполнении.

       Спроектировано, изготовлено и введено в эксплуатацию КВОУ для авиационного ГТД Д-30, предназначенного для очистки железнодорожных путей в карьере от снега и льда.

Обобщен опыт комплексных исследований фильтрующих материалов, применяемых в блоках фильтрации КВОУ промышленных ГТУ.

Получены  многофакторные зависимости, устанавливающие  функ-циональные связи между свойствами фильтрующих материалов и физическими свойствами очищаемой среды.

Разработана конструкция унифицированного модуля КВОУ, являющегося основой построения комплексной системой воздухоочистки для ГТУ ТЭЦ и промышленных компрессорных станций.

На основе унифицированного  модуля, разработаны воздухоочистные модули для ряда объектов эксплуатации ГТУ и ПГУ, строящихся ТЭЦ.

Выполнен  проект КВОУ для ГТУ транспортного применения, учитывающий особенности эксплуатации установки, условия размещения  оборудования на движущемся  объекте, интенсивность и характер пылеобразования, влияние динамических и ударных нагрузок.

В шестой главе представлены результаты аэродинамической отработки  элементов  воздухозаборного тракта, исследований  аэродинамического взаимодействия ВЗТ с входным патрубком ГТУ, исследований характеристик прочности воздухоподводящих систем.

Установлено, что при любых вариантах компоновки воздуховода ВЗТ в исследованном диапазоне геометрии гидравлические потери воздуховода в натурных условиях находятся в пределах 344,8 431 Па ( 44 мм вод. ст.), что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Указанная в ТЗ допустимая неравномерность поля скоростей на выходе из воздуховода (на входе в улитку компрессора ГТЭ-110) 2% достигнута за счет следующих конструктивных мероприятий: изготовления клинового коллектора перед первой ступенью глушителя с поджатием площади поперечного сечения до 1/6 от площади на входе и установкой разделительной перегородки вдоль всего коллектора. Кроме того, на выходе из предшествующего поворота должна быть установлена лопатка с изломом, распределяющая общий расход воздуха, поступающего в коллектор на две одинаковые части.

Суммарный экспериментальный коэффициент гидравлического сопротивления воздуховода с шумоглушителем для данной компоновки по отношению к динамическому давлению на выходе из ВЗТ = 1,24.

Выполненное исследование подтвердило высокую эффективность конструкции ВЗТ установки ГТЭ-65 для ТЭЦ-9 Мосэнерго, что позволяет рекомендовать его к внедрению в проекте.

Рис. 7.  Чертеж модели воздухозаборного тракта ГТЭ-65

Аэродинамические характеристики оптимального варианта тракта при номинальных условиях работы ГТУ:

- гидравлические потери оптимального варианта воздуховода от КВОУ до выхода из него составляют величину Pнат = 23 мм вод. ст.;

- реальные потери оптимального варианта натурного ВЗТ в присутствии воздухоочистительных фильтров (с проектной величиной их собственного сопротивления) составляют величину Pнат взт = 64 мм вод. ст.;

- уровень неравномерности поля скоростей на выходе из тракта не превышает величины (w/wср) 0,02.

Экспериментально доказано, что аэродинамические характеристики воздуховода не зависят от наличия перед ним воздухоочистительных фильтров, а значит, и от величины их потерь.

Экспериментально доказано, что сопротивление воздуховода не зависит от наличия за ними всасывающего патрубка, однако, последний оказывает сильное деформирующее воздействие на поле скоростей в выходном сечении тракта.

Причинами повышенного уровня потерь энергии во входном патрубке являются:

Отрывное обтекание острой кромки элемента внутренней звукоизоляции в сечении сопряжения ВП и ВЗТ.

Наличие ступенчатого конфузорного участка в сечении входа потока в осевой конфузор входного патрубка, поверхность которого обтекается с отрывом потока от ограничивающих поверхностей.

Наличие плохо обтекаемого центрального конструктивного конуса, расположенного во входной камере патрубка. При обтекании конуса происходит встречное ударное взаимодействие потока, вызывающее повышенную генерацию потерь энергии при движении газа в ВП и повышенного уровня пульсаций давления.

- эффективным средством для снижения уровня потерь энергии во входном патрубке является постановка прямолинейного конфузора в сечении сопряжения входной камеры патрубка с элементами ВЗТ, размещение верхнего и нижнего разделительных ребер во входной камере и замена ступенчатого конфузорного участка на входе в ОК на конфузорный элемент с плавными криволинейными образующими.

Указанные мероприятия позволяют приблизить коэффициент потерь полного давления в ВП к величине, рекомендуемой при проектировании ГТУ. В данном исследовании коэффициент потерь полного давления был снижен от величины до значения . Падение статического давления во входном патрубке уменьшено от величины  186 мм вод. ст. (1860 Па) до величины 62 мм вод. ст. (620 Па). Неравномерность распределения параметров потока в сечении выхода газа из ВП уменьшена в среднем на 40%. Уровень высокочастотных пульсаций давления в указанном сечении снижен по амплитуде в среднем на 30%.

- устранение из объемов входного патрубка элементов звукоизоляции при сохранении верхнего и нижнего разделительных ребер и конфузорного элемента с плавными криволинейными образующими на входе в ОК позволяет снизить коэффициент потерь полного давления до значения , а также снизить величину падения статического давления в ВП до значения 56 мм вод. ст. (560 Па).

- исследование работы входного патрубка при изменении расхода газа в диапазоне от 80% до 110% от исходного значения, характерном для эксплуатации компрессора ГТУ, показали в целом незначительное (не более  0,5 %), изменение статического давления на нагнетании. Коэффициент потерь полного давления относительно исходного значения изменяется в пределах 9% относительных, что объясняется автомодельностью режимов течения газа и связанными с этим процессами генерации потерь энергии.

- выполненные теоретические расчеты течения газа во входном патрубке с определением потерь полного давления, показали хорошую их сходимость с экспериментальными результатами:

        - экспериментальный результат;

        - результат, полученный расчетным путем;

        - экспериментальный результат;

        - результат, полученный расчетным путем.

Расчет, выполненный на основе имитационного моделирования течения в элементах входного патрубка, показал наличие мертвой зоны в нижней части входной камеры, в которой движение газа происходит с малыми скоростями.

Оценка прочности воздухозаборных трактов выполнена на современном научно-техническом уровне.

Оценка прочности воздухозаборных трактов выполнена в соответствии с нормативно-технической документацией Российской Федерации.

При расчетах используются приближенные методики и комплекс конечно-элементных программ ANSYS, позволяющий с необходимой точностью получить картину напряженно-деформированного состояния конструкций.

Нормативные запасы прочности рассмотренных конструкций ВЗТ обеспечены при условии соблюдения правил эксплуатации. 

В седьмой главе  представлены проекты ВЗТ стационарных  энергетических ГТУ, реализованные на строящихся  энергообъектах, разработанные на основе методов проектирования, предложенных  автором диссертации.

На основе анализа существующих конструкций ВЗТ, средств очистки воздуха, требований разработчиков ГТУ и проектантов электростанций разработаны подходы к проектированию ВЗТ и требования к их конструкции и эксплуатации.

Спроектированы и изготовлены ВЗТ стационарных энергетических ГТД и ПГУ различных мощностей с учётом климатических условий и характеристик запылённости атмосферного воздуха.

Созданные ВЗТ имеют блочную конструкцию. Блоки полной заводской готовности обеспечивают транспортабельность ВЗТ и простоту монтажа без выполнения сварочных работ.

Введены в эксплуатацию на ряде энергоустановок ВЗТ, показавшие свою высокую эффективность.

Рис. 8. ВЗТ  ГТЭ-110

Рис. 9  ВЗТ  ГТЭ-65

Рис. 10  ВЗТ  ГТУ-20С

Разработаны типовые программы и методики проведения пуско-наладочных испытаний ВЗТ.

Выполнены пуско-наладочные, а также дополнительные регулировочные мероприятия с целью обеспечения требуемых характеристик циклового воздуха и, как следствие, обеспечения надёжной эксплуатации ГТУ.

Разработан комплекс технических  требований к системам фильтрации воздуха энергетических ГТУ и ПГУ, учитывающий  конкретные условия эксплуатации энергообъекта, а также, интересы поставщиков энерго-оборудования и проектировщиков ТЭЦ.

В заключении сформулированы следующие основные выводы по работе:

1. Выполнен комплекс НИР с целью создания новых методов совершенствования существующих методов, методик расчета и проектирования надежных экономичных ВЗТ стационарных ГТУ и ПГУ, что позволяет  заместить поставки по импорту оборудования данного типа. На основе полученных результатов исследований создано новое поколение отечественного оборудования для высокоэффективных ВЗТ ПГУ в диапазоне мощностей 20 110 МВт.

2. Выполнен комплекс расчетных и экспериментальных исследований энергетических процессов, имеющих место при движении воздуха в элементах воздухозаборного тракта ГТУ ТЭЦ, с получением обобщенных зависимостей и критериев эффективности, учитывающих эксплуатационные факторы, конструктивные особенности ВЗТ, технические характеристики фильтрующих элементов, режимы работы энергетической установки.

3. Разработана концепция и структурная функциональная схема ВЗТ на основе комплексных экспериментальных исследований с учетом региональных  особенностей места установки ГТУ, концентрации и минералогического состава пыли, процентного содержания в пыли химически активных веществ.

4. Создан метод  проектирования ВЗТ, на основе решения комплексной оптимизационной задачи минимизации (до 1000 Па) уровня потерь энергии, обеспечения требуемого уровня очистки воздуха, оптимальных акустических характеристик и характеристик надежности.

5. Получены результаты исследования фильтрующих свойств и аэродинамических потерь на фильтрующих блоках, позволившие разработать методы создания высокоэффективных фильтрующих блоков для ВЗТ мощных ГТ и ПГУ с межремонтным периодом 16а000 час.

6. Впервые получены результаты исследования влияния содержания в воздухе паров жидкости типа антилед на работу фильтрующих элементов в зимний период времени и предложены решения, позволившие обеспечить надежную работу ВЗТ для указанных условий. Получены результаты стендовых и натурных аэродинамических исследований, позволяющие обеспечить аэродинамическую оптимизацию всего ВЗТ с получением перепада давлений на входе в ГТ < 1000 Па.

7. Разработана теоретическая концепция снижения уровня шума в ВЗТ, методика оценки акустического состояния системы, технология проектирования элементов акустической защиты, позволяющая повысить экологическую безопасность ГТУ и ПГУ в целом. Предложены конструкции элементов акустической защиты для проектируемых ПГУ, обеспечивающих уровень шума 80 дБА.

8. Впервые разработаны методики проектирования и изготовления конструкций, позволяющих исключить обледенение при температуре атмосферного воздуха + 8ЕЦ 16 оС как фильтрующих элементов, так и лопаток входного направляющего аппарата компрессора ГТУ для противообледенительных систем высокого и низкого давления.

9. Получены результаты исследований и разработаны основные конструктивные элементы устройства для распыления до 20 мкм влаги в ВЗТ с целью получения дополнительной мощности ГТ при повышенной температуре атмосферного воздуха.

10. Разработаны принципы создания модульных конструкций ВЗТ, обеспечивающих повышенную ремонтопригодность и сокращение сроков монтажа на площадке.

11. Результаты исследований были успешно внедрены при создании и освоении в эксплуатации ВЗТ ПГУ МЭС-60 на ТЭЦ-28 Мосэнерго, ГТЭ-110 на Ивановских ПГУ 1-я и 2-я очереди, ГРЭС-24, ГТУ-20С на ТЭЦ в Нигерии, ГТД Д-30 на ПГЗ-СУАЛ, ГТЭ-65 на ТЭЦ-9 Мосэнерго.

12. Разработаны и внедрены технические требования к ВЗТ и его элементам для энергетических  ГТУ и ПГУ.

Основные публикации по теме диссертации:

Книги

1. Энциклопедия Машиностроение, том IV-18, книга 2. М. Машиностроение, 2009 г. (в печати).

Нормативные документы:

1. ебедев А.С., Львов М.Ю., Михайлов В.Е. Общие технические требования к системам фильтрации воздуха для энергетических газотурбинных установок. М., ОАО РАО ЕЭС. 2006.

Основные статьи и труды конференций

1. Патент на полезную модель № 76080. Воздухоочистительное устройство. Зарегистрировано 10.09.2008 г.
2. Патент на изобретение № 2312254. Осевой компрессор для транспортировки природного газа. Зарегистрировано 10.12.2007 г.
3. Патент на полезную модель № 59192. Трубопровод для транспортировки воды. Зарегистрировано 10.12.2006 г.
4. ебедев А.С., Симин Н.О., Михайлов В.Е., Гусев В.Н. Стендовые испытания ответственных узлов головного образца газотурбинной установки ГТЭ-65. Электрические станции, № 10, 2008 г. С. 4-11.
5. ебедев А.С., Симин Н.О., Петреня Ю.К., Михайлов В.Е. Проект энергетической газотурбинной установки ГТЭ-65. Теплоэнергетика. № 1. 2008 г. С. 46-51.
6. Петреня Ю.К., Лебедев А.А., Михайлов В.Е., Симин Н.О. Газотурбинная установка ГТЭ-65: стендовые испытания основных узлов, возможности использования и пути дальнейшего совершенствования. // Теплоэнергетика. 2008. № 4. С. 42-47.
7. Хоменок Л.А., Михайлов В.Е., Страшников А.А., Милюков Д.В. Организация воздухоподготовки для газотурбинных энергетических установок различной мощности. Теплоэнергетика. 2008. №1 С. 37-41.
8. Михайлов В.Е., Хоменок Л.А., Яблонник Л.Р. Развитие технологий и средств шумозащиты энергетического оборудования. //Теплоэнергетика. 2010. № 4 (в печати).
9. Михайлов В.Е., Хоменок Л.А., Яблонник Л.Р. Моделирование акустических характеристик глушителей шума от компрессора ГТУ. //Теплоэнергетика. 2010. № 2 (в печати).
10. Nigmatulin T.R., Mikhailov V.E. Requirements for Gas Turbine Inlet Systems in Russia. Meeting the Energy Challege 26-28 May 2009, Koeln Messe, Cologne, Germany.
11. Nigmatulin T.R., Mikhailov V.E. Draft: Requirements for Gas Turbine Inlet Systems in Russia. Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air GT 2009, June 8-12, 2009, Orlando, Florida, US.
12. Михайлов В.Е. Организация воздухоподготовки для газотурбинных установок различных мощностей. Доклад на LIV научно-технической сессии РАН. Санкт-Петербург. 2007.
13. Михайлов В.Е., Страшников А.А., Севастьянова Т.В. Использование пакета Flow Vision для моделирования воздухозаборного тракта ГТЭ-110 Ивановской ГРЭС. Труды международной научно-практической конференции Инженерные системы-2009. М.:РУДН, 2009. С. 59-63.
14. Михайлов В.Е., Страшников А.А., Севастьянова Т.В. Моделирование воздухозаборного тракта ГТЭ-110 Ивановской ГРЭС в программном комплексе Flow Vision. Вестник Национального технического университета Харьковский политехнический институт. Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование. Харьков: НТУ ХПИ, 2009. №3. С. 148-151.
15. Михайлов В.Е., Севастьянова Т.В. Исследование работы воздухозаборного тракта ГТЭ-110 Ивановской ГРЭС в пакете Flow Vision. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции Состояние и перспективы развития электротехнологии (XV Бенардосовские чтения). ГОУВПО Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. Иваново, 2009. т. 1, С. 111-112.
16. Михайлов В.Е., Страшников А.А., Севастьянова Т.В. Использование пакета FlowVision для моделирования воздухозаборного тракта ГТЭ-65 ТЭЦ-9 Мосэнерго // Доклад на LVI научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин. г. Пермь. ОАО Авиадвигатель 2009. С. 124-125.
17. Михайлов В.Е. Предотвращение обледенения элементов воздухозаборного тракта ГТУ энергетических ПГУ. // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казань, 2009, № 9-10, с. 3-12.
18. Михайлов В.Е. Охлаждение циклового воздуха для повышения экономичности ГТУ. // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2009, № 3 (84), с. 32-36.
19. Ртищев В.В., Кривоносова В.В., Сундуков Ю.М., Михайлов В.Е., Золотогоров М.С. Охлаждаемые лопатки турбины энергетической газотурбинной установки ГТЭ-65. // Электрические станции, 2009, № 10, с. 2-7.
20. Михайлов В.Е. Критерии аэродинамического совершенства воздухозаборного тракта и методика их определения. // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 5, с. 41-44.
21. Михайлов В.Е. Конструктивные особенности воздухозаборного тракта газотурбинной установки ГТЭ-65 на ТЭЦ-9 ОАО Мосэнерго. // Промышленная энергетика. 2009. № 12.
22. Михайлов В.Е. Снижение потерь энергии во входном патрубке осевого компрессора энергетической ГТУ. // Энергетик. 2010. № 1.
23. Михайлов В.Е., Гудков Э.И., Петухов Л.С. Повышение эффективности ГТУ за счет аэродинамической отработки всасывающего тракта. // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 5, с. 59-62.
24. Михайлов В.Е., Хоменок Л.А. Разработка нового и повышение технического уровня действующего энергооборудования ТЭС, АЭС и ГЭС. // Доклад на III международной научно практической конференции INTECH-ENERGY. 22-27 сентября 2009. Турция.
25. Михайлов В.Е. Расчетное обеспечение нормативных шумовых показателей воздухозаборных устройств энергетических ГТУ. // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казань, 2009. № 11-12.
26. Михайлов В.Е. Аэродинамическая отработка модели воздухозаборного тракта газотурбинной установки ГТЭ-110 Ивановских ПГУ. // Научно-технические ведомости СПб ГПУ, 2009, № 4 (85).
27. Михайлов В.Е. Оптимизация выходных газотурбинных трактов. // Научно-технические ведомости СПб ГПУ, 2009, № 4 (85).

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разное