Газотурбинные и газоперекачивающие агрегаты

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

Способы защиты ГТУ от пыли и аэрозолей

1. Воздухоочистительные устройства, их виды и характеристики

1.1 Первая ступень очистки

1.2 Вторая ступень очистки

2. Чистка проточной части компрессора

3. Защита ГТУ от обледенения

Заключение

Литература

Общие сведения

Современные газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГГПА) выполняют в виде блочных конструкций, т. е. состоящими из отдельных поставочных блоков, полностью законченных изготовлением. Наиболее распространено деление на блоки: блок ГТУ на раме -- маслобаке (или рамах); блок нагнетателя на раме; блок воздухоподготовительного устройства; блок воздушного охладителя масла (или промежуточного теплоносителя); блок систем автоматического управления и регулирования. Для установки ГГПА необходимы воздухоподводящие и газоотводные устройства (элементы тракта).

Регенеративные ГТУ дополнительно содержат блоки воздухоподогревателей и горячие воздухопроводы. Блок воздухоподготовительного устройства обычно содержит инерционные фильтры для сепарации крупных частиц, фильтры тонкой очистки, панели шумоглушения, противообледенительное устройство, иногда систему для увлажнения и охлаждения воздуха в жаркое время года. Обычно его устанавливают с максимальным возвышением над поверхностью земли.

Этот блок является важной составной частью конструкции газотурбинных установок, т.к. от его работы во многом зависит производительность ГТУ в целом. Воздухозаборное устройство отвечает не только за очистку и сепарацию поступающего воздушного потока от пыли и аэрозолей, но также и за предотвращение обледенения входного направляющего аппарата.

Сейчас разрабатываются все новые, более усовершенствованные модели воздушных фильтров, с большими значениями к.п.д., сроков эксплуатации и с меньшими материальными затратами.

Размещено на http://allbest.ru

Рис. 1 Компоновка ГПА ТМЗ ГТН-16 в индивидуальном здании:

/ -- вход воздуха на основном режиме работы; 2 -- вход воздуха при перерыве в подаче электроэнергии; 3 -- АВО масла; 4 -- воздухоочистительные устройства; 5. 6 -- помещения для ГТУ и нагнетателя; 7 --дымовая труба; 8 -- фильтры тонкой очистки масла; 9 -- электросиловые щиты

Способы защиты ГТУ от пыли и аэрозолей

воздухоочистительный фильтр компрессор

Для поступающего в компрессор рабочего тела приводных ГТУ и ГТД характерны не только ежедневные колебания температуры, но и наличие посторонних включений, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию ГТУ как в теплое, так и в холодное время года.

В атмосферном воздухе присутствует крупная и мелкая пыль, может быть влага в виде тумана, в летнее время -- пыльца и семена растений, насекомые. В различных районах страны в зависимости от климатических условий в воздухе во взвешенном состоянии содержатся механические примеси (песок, пыль) в диапазоне 0,005 - ОД г/м³. В период песчаных бурь концентрация пыли в воздухе, естественно, возрастает.

Повышенное содержание пыли в воздухе, поступающем в осевой компрессор, вызывает эрозионный износ лопаток, загрязнение проточной части компрессора, приводит к снижению его к.п.д. и, как следствие, к снижению мощности ГТУ.

Крупные аэрозоли вызывают преимущественно эрозионный износ лопаточного аппарата компрессора. Мелкие аэрозоли большей частью вызывают загрязнение его проточной части. Кроме того, наличие пыли в воздухе грозит заносом каналов системы охлаждения, а в регенеративных ГТУ -- и теплообменных поверхностей воздухоподогревателя.

Особенно интенсивно происходит загрязнение лопаток компрессора при наличии в засасываемом воздухе также паров масла или других промышленных жидкостей, а также при концентрации насекомых.

При прохождении через первый рабочий венец компрессора пыль отбрасывается центробежными силами к периферии, где ее концентрация многократно возрастает. У корня направляющих лопаток появляется местный износ в виде подреза.

Увеличивается радиальный зазор над рабочими лопатками и изнашивается их периферийная часть. В начальной стадии износа и загрязнения характеристика компрессора и ГТУ в целом изменяется несущественно.

Затем скорость ухудшения характеристик заметно возрастает. Падает напор в к.п.д. компрессора, линия рабочих режимов ГТУ смещается влево, а граница помпажа вправо, номинальная мощность ГТУ при расчетной температуре воздуха не достигается. На лопатках компрессора могут появляться эрозионные раковины, которые являются концентраторами напряжений. Конструктивный предел выносливости лопаток заметно падает. Изменяются и виброхарактеристики лопаток.

Кроме воздействия на компрессор, пыль проходит и в турбину и отлагается на ее лопатках, особенно на соплах первой ступени. Неблагоприятна лессовая пыль, образующаяся в местностях с солончаковыми грунтами.

Нормальная эксплуатация ГТУ может быть обеспечена, если среднегодовая концентрация пыли в поступающем воздухе не более 0,3 мг/м³, а кратковременно -- 5 мг/м³, в том числе частиц размером больше 20 мкм -- 0,03 и 0,4 мг/м³ соответственно(ГОСТ 21199--82).

Эрозионное воздействие пыли на лопатки компрессора стараются уменьшить, применяя входные патрубки специального профилирования, а также используя воздушные фильтры для очистки воздуха перед поступлением его в осевой компрессор.

Необходимая тщательность очистки воздуха для ГТУ от аэрозолей зависит от местности, в которой эксплуатируют установку. Аэрозолями называются взвешенные в воздухе частицы размерами от 0,001 мкм до 8 мм (снежинки). Защита ГТУ от аэрозолей может осуществляться в трех направлениях: выбор площадки расположения КС и конструкции воздухозаборных устройств; приспособление конструкции ГТУ для снижения ее чувствительности к попадающей пыли; предотвращение попадания пыли с помощью фильтров.

Возможности защиты ГТУ по первому направлению ограничены. Особенно опасны районы, где бывают пылевые бури. Расположение ГПА на КС должно учитывать розу ветров, с тем чтобы свести к минимуму возможность попадания различных выбросов: пыли и уходящих газов промышленных предприятий, выхлопов автотракторной техники и вспомогательных агрегатов, дымовых газов ГТУ и отопительной котельной.

Участки площадки КС, не снабженные твердым по крытием, должны иметь прочный верхний слой, в летнее время желательно травяной. Забор воздуха необходимо проводить на высоте не менее 5--6 м, где меньше концентрация крупной наиболее агрессивной пыли и насекомых (для некоторых местностей в летний период). Естественно, конструкцией воздухозабора должно быть исключено прямое попадание дождя и снега.

Специальное проектирование ГТУ для снижения вредного эффекта от попадающей пыли наиболее широко практикуется при разработке вертолетных ГТД, но возможно и при разработке приводных ГТУ. Оно включает следующие мероприятия:

· выполнение обводов входного конфузора осевого компрессора, которые исключали бы местную концентрацию пыли и эрозионный подрез у корня;

· применение специальных закручивающих и отклоняющих аппаратов на входе в компрессор, которые за счет центробежных сил отделяют эрозионноопасные частицы в специальные ловушки. Такие аппараты могут быть неподвижными или вращающимися;

· специальное аэродинамическое профилирование лопаток осевого компрессора для снижения их эрозии и загрязняемости. Целесообразное для вертолетных двигателей оно представляется более дорогим мероприятием для стационарных ГТУ, чем очистка воздуха;

· покрытие лопаток компрессора износостойкими материалами и другие способы повышения поверхностной твердости лопаток компрессора;

· полное исключение попадания во всасывающий тракт капель или паров масла, с которыми пыль образует плотные соединения;

· дополнительная сепарация пыли, содержащейся в воздухе, используемом для охлаждения деталей газовой турбины. Это выполняют за счет отбора воздуха против действия поля центробежных сил через радиальные отверстия в роторе, являющиеся естественным сепаратором пыли;

· обеспечение при конструировании возможности простой очистки и промывки теплообменных аппаратов, например воздухоподогревателей ГТУ, охладителей отбираемого от компрессора воздуха, используемого в системе охлаждения турбины.

Кардинальное мероприятие по защите ГТУ от атмосферной запыленности - очистка воздуха с помощью фильтров различного типа.

Воздухоочистительные устройства, их виды и характеристики

Воздухоочистительные устройства предназначены для очистки наружного воздуха перед поступлением его в осевой компрессор от разного рода механических примесей (аэрозолей).

Воздухоочистительные устройства (ВОУ) характеризуются: пропускной способностью, гидравлическим сопротивлением, степенью очистки воздуха (в %), скоростью набегания воздушного потока, пылеемкостью (для поверхностных фильтров), сроком службы, возможностью контроля эффективности их работы и степенью автоматизации обслуживания.

Пропускную способность ВОУ выбирают приблизительно на 20 % больше, чем расход через компрессор из-за возможной неравномерности потока и необходимости отсоса части сильно запыленного воздуха специальным вентилятором.

Потери давления при гидравлическом сопротивлении всего ВОУ обычно ограничивают 700 Па, а всей воздухозаборной системы -- до 1000 Па. Потери давления в ВОУ связаны с достигаемой степенью очистки. Необходимая степень очистки зависит от начальной запыленности воздуха, конструктивных особенностей осевого компрессора и некоторых других элементов ГТУ.

По эффективности улавливания пыли СНиП предусматривают три класса фильтров, улавливающих частицы менее 1 мкм, более 1 мкм и более 10 мкм. К-п..д. фильтра не может доходить до 100 %, он зависит от концентрации пыли, ее дисперсности и многих других причин.

Очистка воздуха может быть организована в одну, две или три ступени. При повышенной запыленности первая ступень представляет собой инерционные сепараторы. Вторая ступень -- фильтры тонкой очистки. Во время работы их сопротивление повышается и необходимо периодически или непрерывно перемещать фильтрующий материал или заменять его. Третью ступень ставят при наличии испарительного охлаждения для улова неиспарившейся влаги.

Фильтры для очистки циклового воздуха от пыли бывают различной конструкции и разработке оптимальных их конструкций обоснованно уделяется большое внимание. Очистка воздуха может быть организована в одну, две или три ступени. При повышенной запыленности первая ступень представляет собой инерционные сепараторы. Вторая ступень -- фильтры тонкой очистки. Во время работы их сопротивление повышается и необходимо периодически или непрерывно перемещать фильтрующий материал или заменять его. Третью ступень ставят при наличии испарительного охлаждения для улова неиспарившейся влаги.

Первая ступень очистки

При высокой запыленности воздуха в качестве первой ступени очистки применяют преимущественно инерционные сепараторы. В них отделение пыли происходит за счет резкого изменения направления движения. Инерционные сепараторы эффективны для крупной пыли (дисперсность более 10-- 35 мкм), Возможны инерционные сепараторы в виде мультициклонов (агрегат ГТК-10И). Более распространены плоские (коробчатые) инерционные сепараторы (рис. 2, а) с пластинчатыми решетками.

Инерционные сепараторы имеют обычно небольшое сопротивление. Отсепарированную пыль собирают в короб и удаляют с помощью тихоходных центробежных вентиляторов, Отсасывают около 10% поступающего воздуха. В инерционных сепараторах удаляется от 85 до 95 % пыли, мелкие аэрозоли улавливаются плохо. На газотурбинных электростанциях и на некоторых старых КС используют иногда масляные самоочищающиеся фильтры. Они задерживают как крупные, так и мелкие частицы, и в этом их достоинство.

Но для эффективной работы масляных фильтров (сеточных или шторчатых) необходима небольшая скорость набегающего потока (1,7 м/с) и отсутствие местных повышений скорости. При росте скорости до 5 м/с может происходить унос капель масла, что грозит сильным загрязнением проточной части компрессора. Из-за малой скорости велики размеры этих фильтров. Другие недостатки их - малая пылеемкость, плохое улавливание мелких аэрозолей, постоянная работа вентиляторов отсоса, большие размеры, масса и трудоемкость изготовления.

Вторая ступень очистки

В качестве второй ступени очистки для удаления мелкой пыли используют рулонные (барьерные) фильтры (рис. 2, б), например, типа ФРУ. В них применяют полотно длиной 25 м толщиной 50 мм из стекловолокна, приклеенного связующими полимерами с несгораемым замасливателем, свернуто в рулон.

При расчетной скорости воздуха 2,2 м/с потери давления 60 Па, при максимально допустимой 2,8 м/с -- 80 Па. Когда сопротивление фильтра возрастает до 300 Па, загрязненный участок перематывается автоматически с помощью электродвигателя. Очистку рулонов не производят, их необходимо заменять.

На некоторых агрегатах, например, ГТК-25ЙМ, в качестве второй ступени очистки применены съемные кассетные фильтры многоразового использования (рис. 2, в). По достижении повышенного перепада давлений (порядка 100 Па) их снимают и промывают в горячей воде или моющих растворах, а затем сушат и возвращают на место.

Рис. 2. Схемы воздушных фильтров в воздухоподводящем тракте:

а - инерционные (жалюзийные) сепараторы; 6 - рулонные (барьерные); в ~ кассетные

Возможно применение для ГТУ КС барьерных секционных фильтров, которые после загрязнения продувают в обратном направлении воздухом повышенного давления. Срок службы их значительно больше. Недостаток всех барьерных фильтров (тонкой очистки) -- возрастание гидравлического сопротивления по мере загрязнения.

Во избежание помпажа осевого компрессора при чрезмерном возрастании сопротивления системы пылеочистки необходимо иметь автоматически включающиеся обводные каналы. С целью предотвращения обмерзания фильтров в некоторых конструкциях предусматривают их обогрев горячим воздухом или смесью воздуха с разбавленными продуктами сгорания.

Возможно также использование в качестве очистительных устройств электрофильтров (электростатических сепараторов), которые обеспечивают высокую степень очистки при меньших энергетических затратах. Однако стоимость их довольно высока.

Для улавливания оставшихся в потоке мелких частиц пыли (вторая ступень) устанавливают фильтры тонкой очистки воздуха. Фильтры тонкой очистки подразделяются на два класса: сухие и масляные (рис. 3). В сухих фильтрах поток воздуха проходит через рулонный волокнистый материал и очищается от пыли. Сухие фильтры по структуре фильтрующей среды делятся на тканевые и волокнистые; по конструкции -- на рулонные (рис. 75), рукавные и в виде сменных пакетов; по способу регенерации -- фильтры отряхиванием, обратной продувкой и др. Требования к сухим фильтрам -- автоматизация работы, большая пылеемкость, малое гидравлическое сопротивление, эффективность очистки и прочность материала.

Нетканые волокнистые материалы имеют преимущества перед ткаными. Их называют также фильтрующей бумагой.

Сухие фильтры подвержены необратимому загрязнению при наличии в воздухе влаги, смолистых веществ и остатков промышленных выбросов. Периодическая очистка самого рулонного материала осуществляется встряхиванием, обратной продувкой и др.

При опасности попадания снега сухие фильтры должны быть отключены (байпасированы). Возможно применение зернистых насыпных фильтров с регенерирующим слоем. Гидравлическое сопротивление сухих воздушных фильтров составляет 350-450 Па.

Масляные фильтры более эффективны в работе, чем сухие. Они меньше боятся загрязнения воздуха жидкими аэрозолями.

Их отличие от сухих состоит в том, что в масляных самоочищающихся фильтрах воздух очищается от пыли, проходя через движущиеся сетчатые панели, непрерывно смачиваемые в масляном резервуаре.

Фильтрующие сетчатые панели представляют собой петлеобразную бесконечно движущуюся ленту, установленную в воздухозаборном устройстве, нижняя часть которой постоянно омывается в масляном резервуаре, смывая тем самым осевшие частицы пыли с движущейся панели.

Фильтры смачиваются висциновым, индустриальным или веретенным маслом. При использовании масляных фильтров возникает опасность уноса капель масла в проточную часть компрессора и засорения остатками пыли. Поэтому при работе самоочищающихся воздушных фильтров регулярно следят за их чистотой, не допускают уноса масла с фильтров в осевой компрессор, стремятся не допустить повышения гидравлического сопротивления свыше 100--150 МПа.

.

Рис. 3. Принципиальная схема воздушного фильтра с масляной ванной:1 - барабан, 2 ~ вращающаяся сетка, 3 - масляная ванна

Чистка проточной части компрессора

Наряду с этим конструкция воздухозаборной камеры предусматривает возможность кратковременной работы ГТУ и без фильтров. Для этого на воздухозаборном тракте устанавливают приемные жалюзийные клапаны для забора воздуха с учетом розы ветров на данной КС.

В ГТУ транспортного и авиационного типа применяют различные варианты подвода воздуха к компрессорам с осевым или кольцевым входом непосредственно из помещения, в котором установлен двигатель, или из отдельного отсека, исключая тем самым непосредственное попадание пыли наружного воздуха в компрессор.

Однако, несмотря на наличие воздушных фильтров, проточная часть осевого компрессора загрязняется. Поэтому в условиях эксплуатации прибегают к периодической очистке лопаточного аппарата, компрессора и во время работы ГТУ.

Для чистки проточной части компрессора используется какой-либо мягкий сухой абразив либо специальный промывочный раствор, подаваемый в воздухозаборник двигателя.

Промывка проточной части компрессора осуществляется на пониженных нагрузках ГТУ подачей моющего раствора с добавкой керосина и дистиллированной воды. В; зимних условиях во избежание замерзания в раствор добавляют метан. Проточную, часть компрессора обычно промывают за 10-15 мин.

Защита ГТУ от обледенения

Обледенение входного тракта ГТУ происходит, когда температура его элементов отрицательна, а тепло, выделяемое замерзающей влагой, отводится или за счет теплопроводности, деталей, или самим потоком. Обледенение возникает в интервале температур атмосферного воздуха от 3 до --5°С при высокой влажности воздуха.

При увеличении скорости потока в элементах входного тракта температура воздуха снижается, мелкие капли переохлаждаются и, попадая на холодные детали, намерзают на них.

На осуществимость процесса обледенения влияют скорость потока, размер капель влаги, размеры и конфигурация обтекаемого тела.

При малой скорости потока и больших плавно обтекаемых деталях лед может не образовываться, а на малых деталях при высокой скорости потока -- быстро нарастать.

Итак, обледенение зависит от температуры, влажности и водности поступающего воздуха, термогазодинамических процессов, происходящих во входном тракте, конструкции и теплового состояния омываемых воздухом деталей.

При обледенении фильтров повышается сопротивление входного тракта, растет температура перед турбиной, возможен унос льда на всас компрессора.

Особенно опасно обледенение входного направляющего аппарата осевого компрессора из-за возникновения дополнительных вибронапряжений в рабочих лопатках первой ступени, приближения компрессора к границе помпажа (влияние дополнительного сопротивления и неравномерности потока), а также возможности механического повреждения лопаток оторвавшимися кусками льда.

Основными направлениями защиты от обледенения являются:

· снижение количества атмосферных осадков, попадающих во входной тракт, за счет конструкции воздухозабора и сепарации влаги;

· испарение капельной влаги во всасываемом воздухе путем его подогрева;

· обогрев деталей тракта и осевого компрессора, подверженных обледенению.

Все эти способы используют в современных приводных ГТУ, однако применение любого из них приводит либо к усложнению эксплуатации, либо к снижению мощности и экономичности ГТУ.

Большей частью длительность действия противообледенительных систем ограничивается периодами возможного обледенения.

Некоторое распространение получила система противообледенения путем подогрева всасываемого воздуха за счет подмешивания к нему части продуктов сгорания из дымовой трубы. Она применима, когда дымовые газы совершенно не содержат агрессивных примесей, а во всасываемом воздухе нет пыли.

Более широкое распространение получила противообледенительная система подогрева и подсушки всасываемого воздуха благодаря подмешиванию к нему части горячего воздуха, отбираемого после компрессора или из его промежуточной ступени.

Подмешивание горячего воздуха не увеличивает влагосодержания всасываемой среды. Применяется также комбинированная противообледенительная система, при которой в воздухоподводящий тракт подают газовоздушную смесь, получаемую за счет эжектирования дымовых газов воздухом после компрессора или его промежуточной ступени.

С учетом изложенного выше воздухоочистительные устройства (ВОУ) для различных районов установки ГГПА должны иметь в своем составе, кроме сепараторов и фильтров, устройства для подогрева воздуха зимой. Такие ВОУ получили название комплексных (КВОУ).

Состав КВОУ зависит также от требований, вытекающих из особенностей конструкции ГТУ. Обязательным компонентом КВОУ являются также устройства шумоглушения.

Заключение

Таким образом, из вышеуказанного следует, что качественная работа газотурбинных установок невозможна без воздухоочистительных, противообледенительных и шумоглушительных систем. Они не только обеспечивают эффективную бесперебойную работу ГТу, но и позволяют значительно экономить на запасных частях (лопатки, патрубки) и очистке компрессора в целом.

Существующее разнообразие фильтров грубой и тонкой очистки указывает на заинтересованность индустрии в совершенствовании воздухозаборных блоков, путем увеличения их к.п.д., уменьшения материальных затрат, а также упрощения процесса изготовления.

Но еще одним перспективным направлением является разработка конструкции воздухозаборной камеры таким образом, чтобы увеличить время работы газотурбинных установок без ВОУ. Это позволит увеличить срок эксплуатации фильтров.

Литература

1. Ревзин Б.С. «ГТУ с нагнетателями для транспортировки газа» М.: Недра, 1991

2. Ревзин Б.С. «Газотурбинные и газоперекачивающие агрегаты» М.: Недра, 1986

3. Поршаков Б.П. «Газотурбинные установки» М.: Недра, 1992

Размещено на Allbest.ru