Струйный инжектор для подачи воздуха в пиковый котел газотурбинной тепловой электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Струйные аппараты

1.1 Основные понятия и принцип действия

1.2 Классификация струйных аппаратов

Глава 2. Исходные данные, оценка ресурсов и проектные решения

Глава 3. Проектировочный расчет струйного инжектора. Уточнение коэффициента инжекции

Глава 4. Расчет основных размеров струйного инжектора

Глава 5. Сравнение расчетных параметров инжектора с экспериментом

Глава 6. Модульное проектирование. Общие принципы компоновки. Особенности конструкции

Глава 7. Принципы управления БСИ для подачи воздуха в ПК. Технологическая схема применения БСИ на ГТУ - ТЭЦ

Глава 8. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

8.1 Опасные и вредные факторы при эксплуатации и меры защиты персонала

8.2 Оптимальные параметры условий труда

8.3 Расчет освещенности турбинного цеха

8.4 Способы уменьшения газообразных выбросов на ТЭС

8.5 Устойчивость работы в условиях чрезвычайных ситуаций

Глава 9. Экономическое обоснование работы

Выводы и заключения

Список литературы

Введение

Объектом применения струйных инжекторов является газотурбинная тепловая электростанция ГТУ-ТЭЦ, предназначенная для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. К основному оборудованию газотурбинной электростанции относится собственно турбокомпрессорный блок, который служит приводом для электрического генератора, регенератор (рекуперативный воздухоподогреватель), который возвращает часть тепла уходящих газов в термодинамический цикл ГТУ, а также водогрейный котел на выходе из регенератора, использующий оставшуюся часть тепла от ГТУ на нужды теплофикации. В зимний период тепловой мощности этого котла может быть недостаточно для потребностей теплофикации. В этом случае в работу вступает дополнительный пиковый котел (ПК), он расположен рядом с турбокомпрессорным блоком. Однако, в отличие от котла утилизатора, работающего на противодавлении ГТУ, для работы пикового котла необходимо автономное устройство, обеспечивающее подачу необходимого расхода воздуха через ПК. Обычно для этих целей используют воздуходувку или дымосос, которые являются достаточно сложными устройствами с независимым электрическим приводом. Как правило, это дорогостоящий агрегат, требующий внимания и расходов при эксплуатации.

На данной станции было предложено вместо штатной воздуходувки для снабжения воздухом ПК использовать специально спроектированный блок струйных инжекторов (БСИ), состоящий из нескольких параллельно работающих газоструйных инжекторов, которые рассчитаны для подачи потребного расхода воздуха с необходимым избыточным давлением.

Сжатый воздух для работы БСИ, должен отбираться за компрессором ГТУ. Располагаемое абсолютное давление отбора не менее 6,5 атм.

Газоструйные инжекторы относятся к струйным аппаратам, в которых для создания потребного расхода и перепада давления используется энергия рабочей газовой струи.

Это сравнительно недорогие, надежные устройства, не требующие при эксплуатации ни дополнительных расходов, ни специального привода. Подробнее о назначении, принципе действия, классификации и областях применения струйных аппаратов смотри в разделе «Струйные аппараты».

Потребный расход воздуха на входе в горелку ПК на номинальном режиме составляет 8-10 с избыточным давлением 600-700 мм вод. ст. Температура воздуха на входе в ПК должна быть не менее +5оС. По предварительным расчетам (см. далее), для получения на номинальном режиме указанного расхода, избыточного давления и температуры за инжектором, с учетом располагаемого рабочего давления за компрессором можно обеспечить с коэффициентом инжекции, равным U=5. Коэффициент инжекции равен отношению массовых расходов инжектируемого и рабочего воздуха. Так, величина U=5 означает, что к одной массовой части сжатого (рабочего) воздуха на входе прибавляется (подмешивается) пять массовых частей воздуха, инжектируемого из атмосферы.

С учетом проектного коэффициента инжекции U=5 при проектировании БСИ заложено, что от работающей ГТУ отбирается за компрессором сжатый воздух в количестве ~1,8 (что составляет менее 4% общего расхода компрессора) с температурой 200…250оС и давлением более 6 атм. Этот воздух через систему воздуховодов подается к БСИ. Система трубопроводов должна быть снабжена воздушной задвижкой и регулирующим клапаном для отбора необходимого количества сжатого воздуха.

Для регулирования температуры воздуха за БСИ в схеме станции было принято также, что часть воздуха отбирается для инжектирования непосредственно из машинного зала (в пределах количества, обеспечивающего баланс по системе вентиляции машинного зала в зимний период), а другая часть через воздуховод подается из отбора, расположенного вне здания машинного зала. Эта схема отбора воздуха относится к режиму работы при полной нагрузке ПК.

При частичной нагрузке ПК необходимо меньше рабочего воздуха из компрессора и, соответственно, меньше воздуха нужно инжектировать из атмосферы. Так как на частичных режимах ПК (при температурах наружного воздуха выше минус 10оС) потребная тепловая нагрузка, расход и избыточное давление воздуха за инжектором снижаются, для работы БСИ достаточно расхода воздуха, отбираемого из машинного зала.

Запроектировано размещение двух блоков ГТУ и двух ПК в составе оборудования станции. При этом предусмотрена возможность работы двух ПК на режимах частичной нагрузки с отбором сжатого воздуха от одной ГТУ. Поэтому система трубопроводов сжатого воздуха на БСИ должна иметь коллектор, соединяющий отборы от двух ГТУ и дополнительные задвижки.

Ниже в соответствующем разделе проекта условно показана и подобно описана принципиальная схема подачи воздуха на два ПК от двух БСИ.

Глава 1. Струйные аппараты

1.1 Основные понятия и принцип действия

струйный инжектор газотурбинный электростанция

Струйные аппараты появились в первой четверти XIX века, их родиной принято считать Англию. Своим появлением они обязаны бурному развитию паровых котлов и обслуживающих их вспомогательных систем, а также - поискам технических средств, способных повысить эффективность термодинамического цикла «пар - конденсат». Первые подобные аппараты применялись для воды и водяного пара (Цейнер и Ренкин). Стоит отметить, что интенсивные теоретические исследования и широкое практическое внедрение струйных аппаратов отмечены в периоды экономических спадов: они позволяют более рационально использовать энергию - и, следовательно, сократить потребление ресурсов.

История струйной техники насчитывает почти полтора столетия. В России еще в 1866 году инженер А.И. Шпаковский изобрел пульверизатор, а в 1880 г. В. Г. Шухов получил привилегию (патент) на первое в мире паро - жидкостное устройство, которое стало использоваться для сжигания мазута.

Дальнейшее развитие подобных устройств шло по пути создания струйных тягодувных устройств и струйных (газо - эжекционных) насосов.

Теория струйной техники была глубоко разработана к 70 - м годам прошлого столетия и обобщена в монографиях Е. Я Соколова и Н. М. Зингера и других.

Струйные устройства привлекали своей простотой, компактностью, надежностью. Однако их применение ограничилось фактически областью вакуумирования и пневматического (в том числе парового) распыливания жидкостей. Объясняется это теми недостатками струйной техники, с которыми с течением времени оказалось все труднее мириться.

Наименьший из них - высокие уровни шума, сопровождающие работу многих из них. Главный - низкий КПД энергопередачи, который оказался в разы ниже, чем у современных вентиляторов и насосов.

Вместе с тем, простота и компактность указанных объектов инициировали попытки их применения в качестве тепло - массообменных аппаратов. Одной из первых является работа, выполненная в Советском союзе в 1943 г. Рамзиным и Давыдовым. Авторами исследовалась возможность использования для очистки дымовых газов аппарата типа водовоздушного эжектора. Попытка оказалась не очень удачной, работа дальнейшего развития не получила, а в 1955 году Хольмберг (Финляндия) запатентовал аналогичное устройство. Продолжили эту цепочку фирмы Варкаус - Вентури, Щюте - Картинг и многие другие.

Несколько научных школ в различных странах в 50-е - 70-е годы минувшего столетия продолжали исследования по применению струйных аппаратов для скрубберных процессов. Большинство результатов практического применения не находили.

Положительный сдвиг наметился только тогда, когда вместо сопловой насадки, образующую струю (круглую или плоскую) стали применять центробежные форсунки (образующие «зонтик») распыла. При этом на порядок возросли коэффициенты эжекции, на два порядка поверхность контакта фаз, однако во столько же сократился развиваемый аппаратом напор. То есть, был сделан первый шаг от тягодувного устройства к тепломассообменному аппарату.

Однако решающим шагом послужила разработка теории и конструкций цельнофакельных форсунок и их ансамблей, применение которых позволило поднять коэффициенты эжекции до нескольких тысяч. Это стало началом создания нового семейства интенсивных прямоточных распылительных контактных устройств. Новый всплеск предложений струйных устройств «нового» поколения, особенно в качестве смесительных паро - водяных подогревателей и деаэраторов, прошелся на 90-е годы 20-го столетия.

Струйный аппарат - устройство для нагнетания или отсасывания жидких, газообразных или сыпучих веществ. Его работа основана на обмене механической энергией двух потоков веществ, в процессе их смешения. Поток с более высоким давлением называется рабочим, а поток с низким, а поток с низким - инжектируемым.

Как правило, конструкция такого агрегата включает в себя сопло, диффузор, приемную и смесительную камеры. Рабочий поток выбрасывается из сопла в приемную камеру с большой скоростью и увлекает за собой пассивную среду. В камере смешения происходит выравнивание скоростей (давлений) потоков сред. Затем смешанный поток направляется в диффузор, где его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию сжатия, под действием которой происходит дальнейшая транспортировка перекачиваемой среды.

Наряду с простотой конструкции, надежностью работы и легкостью обслуживания существенным достоинством струйных аппаратов является отсутствие электрооборудования, а также движущихся и вращающихся узлов и деталей. И хотя коэффициент полезного действия аппаратов не очень высок, явные преимущества перед другими устройствами аналогичного назначения позволяют применять их во многих отраслях техники и промышленности.

Первые сто лет своего существования струйные аппараты применялись только для повышения эффективности термодинамического цикла «пар - конденсат». Однако по мере развития промышленности диапазон их практического использования стал расширяться. Сейчас струйные аппараты приготавливают пеновоздушные и пеноводяные огнегасящие смеси, транспортируют воду, удаляют воду, повышают эффективность эксплуатации нефтяных и газовых скважин, транспортируют сыпучие и жидкие среды, подают смазку и топливо в машинах и механизмах и выполняют много других функции.

Новые конструкций позволили авторам значительно расширить области использования струйных аппаратов. На сегодняшний день рассчитаны, а затем и внедрены струйные аппараты в системах водоснабжения, теплоснабжения, в топливных системах котлов и двигателей внутреннего сгорания, в системах водяного охлаждения сварочных полуавтоматов, в холодильных машинах, а также в системах газо-дымоудаления в качестве дымовой трубы и т. д.

В этих системах, машинах и устройствах, струйные аппараты применяются для различных целей, в частности таких, как: снижение энергетических затрат на работу насосов системы теплоснабжения для циркуляции жидкости; увеличение циркуляции охлаждающей жидкости в холодильных установках; снижение температуры и многократного разбавления экологически опасных продуктов сгорания, сбрасываемых в атмосферу.

Заглянем немного вперед. По мнению ученых и аналитиков, области практического применения струйных аппаратов далеко еще не исчерпаны. Результаты исследований показывают, что наиболее перспективными областями использования струйных аппаратов в ближайшем обозримом будущем, особенно в условиях мирового экономического кризиса, могут стать пожаротушение, водоснабжение, орошение, водоотлив (стационарные и переносные системы), вентиляция (вдувная и вытяжная), нефтепереработка и трубопроводный транспорт.

В указанных областях струйный аппарат может быть использован в качестве:

* приставки к насосам для увеличения количества поднимаемой скваженной воды и снижения энергозатрат на ее перекачку в системах сельхозводоснабжения;

* дополнительные комплектующие насосам для увеличения КПД насоса и снижения энергозатрат в системах теплоснабжения;

* использовать для удаления осадка из приемных камер очистных сооружений водоснабжения и канализации, водозаборных сооружений, песколовок и нефтеловушек;

* приставки к водоотливным насосам для увеличения количества удаляемой воды и снижения энергозатрат на ее перекачку в системах водоотлива;

* смесителя-распылителя для получения мелкодисперсных (10…20 мкм) аэрозолей огнегасящих смесей и жидкостей (проведены натурные испытания);

* распылителя - диспергатора для экономного распыла воды и жидких удобрений в виде мелкодисперсных (10-20 мкм) аэрозолей в системах орошения сельскохозяйственных земель;

* приставки к вентиляторам для увеличения производительности стационарных и переносных вентиляторов и одновременного сокращения на энергозатрат на прокачку воздуха в системах вентиляции;

* устройства для предварительной обработки сырой нефти перед ректификационными колоннами с целью увеличения на выхода светлых нефтепродуктов и разгрузки нефтеподающих насосов;

* устройства для уменьшения вязкости транспортируемой в магистральных трубопроводах нефти и нефтепродуктов без их дополнительного подогрева.

В нынешнее время струйные аппараты широко используется в сельскохозяйственном водоснабжении и канализаций.

1.2 Классификация струйных аппаратов

Различают два вида СА: эжекторы и инжекторы:

- Эжекторы (дословно переводится как «толкатель») - устройство, в котором кинетическая энергия передается от рабочей среды, движущейся с большей скоростью, к пассивной среде. Передача энергии происходит в процессе смешения сред. Эжекторы широко используются в качестве смесителей - например, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

- Инжектор (дословно - нагнетатель) - устройство для сжатия газов и паров, а также нагнетания жидкости в различные аппараты и резервуары. Инжекторы нашли свое применение в автомобилях, паровозах, локомобилях и небольших котельных установках - для подачи питательной воды в паровой котел.

В зависимости от свойств и условий взаимодействия рабочего и инжектируемого потоков в СА возникает ряд дополнительных процессов, которые специфичны только для аппаратов определенного типа. Эти процессы существенно отображаются в работе данного типа и должны учитываться при их расчете.

Процессы, происходящие в СА, зависят в первую очередь от агрегатного состояния взаимодействующих сред. С этой позиции СА можно разбить на следующие три группы:

1) СА, в которых агрегатное состояние рабочей и инжектируемой среды одинаково;

2) СА, в которых рабочий и инжектируемый потоки находятся в разных агрегатных состояниях, не изменяющихся в процессе смешивания этих потоков;

3) СА с изменяющимся агрегатным состоянием сред. В этих аппаратах рабочий и инжектируемый потоки до смешивания находятся в разных фазах, а после смешивания - в одной фазе, т.е. в процессе смешивания изменяется агрегатное состояние одного из потоков.

К первой группе относятся газо (паро) струйные компрессоры, эжекторы и инжекторы, а также струйные насосы.

Ко второй группе относятся СА для пневмотранспорта, водовоздушные эжекторы и СА для гидротранспорта.

К третьей группе относятся паровые инжекторы и струйные подогреватели.

Условия работы СА зависит также от упругих свойств в заимодействующих сред. Под упругими свойствами или сжимаемостью понимается значительное изменение удельного объема среды при изменении давления. На практике применяются СА в которых:

1) Обе среды (рабочая и инжектируемая) упруги;

2) Одна из сред упруга;

3) Обе среды не упруги;

Работа равнофазных аппаратов с упругими средами зависит в значительной мере от степени сжатия инжектируемой среды, а так же от степени расширения рабочей среды. Степень сжатия называется отношение давления , т.е. отношение конечного давления сжатия к начальному, хотя более строго было бы назвать это отношение степенью повышения давления, поскольку под степенью сжатия обычно понимается отношение удельных объемов.

Аналогично под степенью расширения рабочего потока понимается отношение давлений , т.е. отношение начального давления к конечному за соплом, хотя более строго было бы назвать это отношение степенью сжатия давления.

По степени сжатия и степени расширения равнофазные СА для упругих сред можно классифицировать следующим образом:

1) Аппараты с большей степенью расширения и умеренной степенью сжатия. Такие аппараты называются газоструйные или пароструйные компрессоры. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в компрессорах велика. Отношение давления рабочего и инжектируемого потоков перед компрессором во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, развиваемая такими аппаратами, обычно находится в пределах 2,5 ? ? 1,2.

К ним относятся аппараты для повышения давления отработавшего пара, газа в сети;

2) Аппараты с большей степенью расширения и большей степенью сжатия. Такие аппараты обычно применяются в установках, где требуется поддерживать глубокий вакуум. Такие аппараты называют газоструйными или пароструйными эжекторами. Степень расширения рабочего потока в эжекторах весьма значительна. Отношение давления рабочего и инжектируемого потоков перед эжектором также во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, создаваемая такими аппаратами, ? 2,5;

3) Аппараты с большей степенью расширения и малой степенью сжатия. Такие аппараты. Такие аппараты называются газоструйные и пароструйные инжекторы. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ.

Степень расширения рабочего потока в инжекторах значительна, но степень сжатия мала: ? 1,2. Поскольку степень сжатия мала, упругие свойства инжектируемого и смешенного потоков проявляется слабо. К таким аппаратам относятся: паровоздушные дутьевые инжекторы топочных устройств котлов и котельных установок, воздушные обдувочные инжекторы, газовые инжекционные горелки. Именно к типу газо(паро)струйных инжекторов следует отнести разрабатываемый в данной работе СА.

На практике также применяются также равнофазные струйные аппараты, в которых свойства сжимаемости рабочего и инжектируемого потоков не проявляются. Такие аппараты называются струйные насосы. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах в большинстве случаев является жидкость. К таким аппаратам относятся водоструйные насосы для откачки воды из скважин и колодцев; элеваторы, широко используемые в теплофикационных системах для присоединения отопительных установок к водяным тепловым сетям.

Рабочей и инжектируемой средой в струйных насосах может быть также газ или пар, но в этом случае степень расширения рабочего тела должна быть значительно меньше критического отношения давления; должна быть мала также и степень сжатия ( ? 1,2).

Разнофазные СА в зависимости от упругих свойств взаимодействующих сред можно разделить на три типа:

1) Аппараты с упругой рабочей и неупругой инжектируемой средами; к ним относятся пневмотранспортные струйные аппараты (газ инжектирует сыпучее твердое тело или жидкость);

2) Аппараты с неупругой рабочей и упругой инжектируемой средами; к ним относятся жидкостно-газовые эжекторы, например водовоздушные эжекторы;

3) Аппараты, в которых обе среды не упруги; к ним относятся аппараты для гидротранспорта твердых сыпучих тел, в которых жидкость инжектирует сыпучее твердое тело.

СА аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное состояние одного из взаимодействующих потоков, можно разделить на два типа. К первому типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является пар, а инжектируемой - жидкость (парожидкостные инжекторы). Ко второму типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является жидкость, а инжектируемой - пар (струйный подогреватель).

В названии аппарата вначале, как правило указывается вид рабочей среды - пар, газ, вода. Указанная классификация СА приведена в таблице 1.1.

Следует еще отметить, что разрабатываемый струйный аппарат имеет степень расширения рабочей струи 6 и степень сжатия до 1,06, поэтому он относится к газоструйным инжекторам. Ниже в работе использованы основные формулы и зависимости для расчета газоструйных инжекторов из [1].

Таблица 1.1

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ

Группа аппаратов	Состояние взаимодействующих сред	Свойства взаимодействующих сред	Степень сжатия, создаваемая аппаратом	Аппараты
Равнофазные	Агрегатное состояние рабочей и инжектируемой среды одинаково	Упругие среды	1,2 - 2,5 >2,5 <1,2	Газо (паро) струйные компрессоры Газо (паро) струйные эжекторы Газо (паро) струйные инжекторы
		Неупругие среды	Любая	Струйные насосы
Разнофазные	Агрегатное состояние рабочей и инжектируемой сред неодинаково	Рабочая - упругая, инжектируемая - неупругая	Любая	Струйные аппараты для пневмотранспорта
		Рабочая - неупругая, инжектируемая - упругая	Любая	Водовоздушные эжекторы
		Рабочая и инжектируемая - неупругие	Любая	Струйные аппараты для гидротранспорта
Изменяющейся фазности	Агрегатное состояние одной из сред изменяется	Рабочая - упругая, инжектируемая - неупругая	Любая	Пароводяные инжекторы
		Рабочая - неупругая, инжектируемая - упругая	Любая	Пароводяные смешивающие подогреватели

Глава 2. Исходные данные, оценка ресурсов и проектные решения

В соответствии с режимным графиком работы энергоблока станции максимальный массовый расход сжатого воздуха на один ПК составляет 10,8 кг/с. При этом избыточное давление сжатого воздуха должно составлять не менее 600 мм вод. ст.

Струйный инжектор имеет длину, значительно превышающую остальные размеры. С целью сокращения продольного габарита аппарата, компактного размещения, а также снижения уровня шума была предложена для использования система из нескольких параллельно включенных струйных инжекторов меньшего размера (т.н. секционных струйных инжекторов), объединенных в одном корпусе с общей трубной обвязкой и образующих БСИ.

Количество секций в блоке (из компоновочных соображений) принято четным и равным 6, соответственно с максимальным массовым расходом Gи=1,8 на каждый из секционных инжекторов. Для оценки параметров секционного инжектора и располагаемых ресурсов принято максимальное избыточное (над атмосферным) давление до котла, равное 600 мм вод. ст. Температура смеси на выходе - не ниже +5оС.

В распоряжении имеется воздух из отбора за компрессором. При отрицательных температурах наружного воздуха, когда вводится в работу ПК, минимальное абсолютное давление воздуха в отборе составляет 6,5 , температура

С учетом минимальных потерь давления при подводе сжатого воздуха к БСИ предварительно принимается полное абсолютное давление рабочего воздуха Рр=6,2.

Для предварительной оценки параметров инжектора использованы диаграммы [1].

При располагаемой степени расширения рабочей струи =5,7

требуемому избыточному давлению на выходе в 600мм вод. ст. (относительный перепад давления инжектируемой среды =0,058) соответствует приведенный коэффициент инжекции не более U = 5,0.

При минимальной возможной температуре инжектируемого воздуха - 40оС и заборе всего воздуха непосредственно с улицы температура на выходе из инжектора будет равна 6оC, что удовлетворяет требованиям ПК.

2.5. Таким образом, по предварительной оценке, основные параметры воздуха за инжектором (максимальный расход, минимальная температура и избыточное давление) соответствуют основным требованиям технического задания на параметры дутьевого воздуха, поэтому данные проектные решения по БСИ для ПК блока ГТУ - ТЭЦ могут быть реализованы.

Глава 3. Проектировочный расчет струйного инжектора Уточнение коэффициента инжекции

В соответствии с п.2.2. расчет секционного струйного инжектора производится для максимального потребного расхода воздуха при минимальном располагаемом абсолютном давлении рабочей струи 6,2 кг/см2 и средней температуре 200оС.

Проектировочный расчет ведется по методике, изложенной в [1].

Степень расширения рабочей струи (обратная величина ).

Рабочая среда - сжатый воздух (k=1,4 , R=287 Дж/(кг К), Тр=473 К ). Инжектируемая среда - атмосферный воздух с температурой Тн=273 К.

Расчет ведется в итерационном режиме: для принятого коэффициента инжекции и параметров рабочей струи определяется основной параметр инжектора (избыточное давление за инжектором) с последующей его корректировкой.

Предварительно принимаю расчетный коэффициент инжекции U=4,5.

Проектировочный расчет

Для заданной величины определяем по таблице газодинамических функций величины ; ;

Температура среды на выходе:

Отношение удельных объемов уходящей среды и рабочей среды:

Отношение удельных объемов инжектируемой среды и рабочей струи:

Оптимальное отношение площадей сечений камеры смешения и сопла определяется для принятого коэффициента инжекции из решения квадратного уравнения с коэффициентами a,b,c :

Проверка величины избыточного давления за инжектором.

Предварительно вычисляем обратную величину

Далее определяем:



Относительное избыточное давление:

Здесь и - значения функций для критического истечения из сопла, соответственно ; .

В результате для принятого U=4,5 расчетное избыточное давление за инжектором составляет 900 мм вод. ст., что существенно превышает требования технического задания по обеспечению пикового котла. Необходима корректировка величины коэффициента инжекции.

Принимаю коэффициент инжекции U=5,0 и для него определяю оптимальное отношение площадей камеры смешения и сопла



Проверка величины избыточного давления за инжектором

Обратная величина

Относительное избыточное давление:



В данном случае расчетное избыточное давление за инжектором составляет 750 мм вод. ст., что хоть и несколько превышает величину, указанную в техническом задании, однако обеспечивает определенный запас, т.к. заложенная величина коэффициента инжекции U=5 может оказаться предельной по температуре воздуха за инжектором.

С определенным запасом по избыточному давлению за инжектором принимается коэффициент инжекции U=5.

Определяю давление инжектируемого потока во входном сечении цилиндрической камеры смешения:

Т.к. давление на входе в камеру смешения равное , практически соответствует атмосферному, проектировочный расчет завершен дальнейшая корректировка расчета инжектора не требуется.

В следующем разделе выполнен расчет конструктивных параметров секционного инжектора.

Глава 4. Расчет основных размеров струйного инжектора

Расчет основных геометрических параметров струйного инжектора проводится по методике, изложенной в [1].

Максимальная производительность секционного инжектора равна . Соответственно, для окончательно принятого коэффициента инжекции U=5 максимальный расход рабочей струи равен:

При этом расход инжектируемого воздуха

Критическая скорость рабочего потока

Площадь критического сечения рабочего сопла:

Диаметр критического сечения сопла соответственно равен 18,6 мм.

Площадь выходного сечения сопла равна

Диаметр выходного сечения сопла равен d1=21,9 мм

Профиль сверхзвукового сопла указанных размеров был специально смоделирован на относительную скорость по рекомендациям [4].

Моделирование сопла производится методом характеристик, подобно излагаемым в курсах газовой динамики. Если не требуется хорошей однородности поля в рабочей части, то моделирование сопла может быть произведен упрощенным способом для одномерного движения.

Таблица 4.1

Координаты точек профиля сопла

№	X, мм	Y, мм
1	0	1,37351
2	0,31398	1,37665
3	0,57087	1,38036
4	1,14173	1,39036
5	1,7126	1,40462
6	2,28347	1,42374
7	2,85434	1,44372
8	3,4252	1,46913
9	3,99607	1,49824
10	4,56694	1,53107
11	5,13781	1,56789
12	5,70867	1,6087
13	6,27954	1,65295
14	6,85041	1,70147
15	7,42128	1,75342
16	7,99214	1,80965
17	8,56301	1,86959
18	9,13388	1,93353
19	9,70474	2,00118
20	10,27561	2,07139
21	10,84648	2,14332
22	11,41735	2,21554
23	11,70278	2,2515
24	11,87404	2,27319
25	20,49414	0

Соединив плавной кривой точки, определяющие координаты горла и рабочей части, получим сопло (см. рис. 4.1. чертеж ДП 6112.01) .

Рис. 4.1. Эскиз сверхзвукового сопла

Площадь сечения камеры смешения

Соответственно расчетный диаметр сечения камеры смешения равен . Из конструктивных соображений принимаем .

Средняя расходная скорость на выходе из камеры смешения равна:

Расчетная длина свободной струи за соплом:

Из конструктивных соображений принимаем =300 мм

Максимальный диаметр свободной струи на расстоянии от выходного сечения сопла до плоскости установки камеры смешения равен:

Так как , то входной участок камеры смешения выполняется в виде конического перехода с углом раствора ? 90o. Длина этого участка ;

Расстояние от выходного сечения рабочего сопла до входного сечения цилиндрической камеры смешения:

Минимальная длина цилиндрической камеры смешения:

Из конструктивных соображений принимаем .

4.6. Диаметр сечения диффузора на выходе из инжектора определяется по назначенной средней скорости

Площадь проходного сечения на выходе:

С учетом небольшого запаса по избыточному давлению, соответствующий по площади диаметр диффузора на выходе может быть несколько уменьшен.

Длина диффузора определяется максимальным углом раскрытия для безотрывного конического диффузора со степенью расширения



Максимальный угол раскрытия безотрывного конического диффузора, по предварительной оценке, равен градусов.

Конкретная геометрия и общая конструкция проточной части секционного инжектора показана на рис. 4.2. и на чертеже ДП 6112.03 СБ.

Рис. 4.2. Секционный инжектор

Как видно из рис. 4.2. секционный инжектор состоит из диффузора (1), камеры смешения (2), воронка (3), корпус приемной камеры (4), сопловой аппарат (5,6,8,11) и трубопровод рабочего воздуха и его крепление (10,12). Габаритные размеры секционного инжектора составляют 1180х300 мм.

При изготовлении и контроле сборки инжектора следует обеспечить выполнение проточной части гладкой, без выступов и впадин по местам стыков, с сохранением соосности основных элементов: сопла, воронки, камеры смешения и диффузора.

Глава 5. Сравнение расчетных параметров инжектора с экспериментом

С целью проверки расчетной методики целесообразно сравнить результаты проектировочного расчета струйного инжектора на критический диаметр сопла Фс=18,6мм, проведенного выше, с имеющимися результатами испытаний струйного инжектора близкой конструкции с критическим диаметром сопла Фс=17,13 мм.

Испытания инжектора проводились на заводском стенде при различных уровнях давлений рабочей струи (в диапазоне от 0,15 до 0,6 МПа) и противодавлений (в диапазоне от 2 до 8 кПа). Основные результаты испытаний представлены на графиках рис. 5.1. и 5.2..

На рис. 5.1. показаны экспериментальные расходные характеристики инжектора - зависимости производительности от избыточного противодавления при различных фиксируемых давлениях сжатого воздуха.

Рис. 5.1. - Экспериментальные расходные характеристики инжектора (при постоянных давлениях рабочей струи)

Если производительность расчетного инжектора Gпр=1,8 кг/с привести к диаметру сопла объекта испытаний Фп=17,13мм (через отношение критических диаметров сопл), то приведенный расчетный расход воздушной воздушной смеси составит Gпр=1,525 кг/с. Согласно рис. 1 указанный приведенный расход может быть получен при давлении рабочей струи в ~5,0 МПа и расчетном давлении за инжектором в 6 кПа, что вполне соответствует проектировочному расчету и согласуется с условиями применения и заданием на проектирование.

На рис. 5.2 показаны зависимости коэффициента инжекции данного инжектора (отношения расхода инжектируемого воздуха к расходу рабочей струи) от избыточного противодавления для различных давлений сжатого воздуха. Минимальное проектное противодавление в рабочей точке отмечено вертикальной линией.

Рис. 5.2. - Экспериментальные характеристики инжектора (при постоянных давлениях рабочей струи)

Согласно графика рис. 5.2. для указанного приведенного расхода воздушной смеси Gпр=1,525 кг/с при параметрах испытаний, соответствующих расчетным условиям (давление рабочей струи 5,0 МПа, противодавление 6 кПа) экспериментальный коэффициент инжекции превышает проектное значение, равное 5,0. Минимальное проектное противодавление в рабочей точке отмечено вертикальной линией. Таким образом, для нормальной работы инжектора в расчетной точке требуется расход сжатого воздуха не более допустимого проектного значения, равного 0,3 кг/с.

Таким образом, проведенное сравнение параметров секционного инжектора (производительности и коэффициента инжекции) в расчетной точке с результатами испытаний аналога показывает хорошее соответствие и позволяет гарантировать выполнение проектных показателей.

Глава 6. Модульное проектирование. Общие принципы компоновки. Особенности конструкции

В практике струйных аппаратов (равно как и других газодинамических устройств) широко применяется моделирование на базе существующих и хорошо изученных образцов. Для обеспечения гарантированных показателей эффективности инжектора достаточно найти прототип с соответствующими параметрами рабочей струи (давлением и температурой), который дает необходимые напорность и коэффициент инжекции. При разработке нового струйного инжектора на заданную производительность на базе известного прототипного инжектора достаточно изменить характерные линейные размеры рабочей части (пропорционально отношению производительностей в степени 0,5).

Струйный инжектор имеет специфическое отношение габаритных размеров - обычно его длина значительно превосходит поперечные габариты (в 10…20 раз). При разработке нового инжектора со значительно большей производительностью (относительно прототипа) соответственно возрастает его длина, что затрудняет компоновку устройства на объекте. Кроме того, с увеличением габаритов инжектора возрастает интенсивность шума, изменяются его шумовые характеристики.

Производительность инжекционного аппарата предлагается наращивать за счет объединения нескольких типовых серийных инжекторов в общий блок. При этом можно получить соотношение габаритных размеров, оптимальное для общей компоновки, значительно упростить проектирование, обеспечить гарантированные шумовые характеристики, унифицировать трубную обвязку и средства регулирования. За счет перемешивания потоков в выходном отсеке поле скоростей и давлений за блоком струйных инжекторов значительно более равномерное по сравнению с одиночным инжектором.

На базе характеристик и чертежей отработанного струйного инжектора (например, рассчитанного и представленного в данной работе секционного воздушного инжектора производительностью 1,8 кг/с с коэффициентом инжекции 5) можно спроектировать целый ряд блоков на различную производительность с прогнозируемыми рабочими характеристиками. При этом проектирование конкретного блока сводится к определению числа секционных инжекторов, входящих в него, решению вопросов общей компоновки и внешней обвязки.

Компоновка секционных инжекторов в блоке может быть выполнена в несколько рядов с различным числом в каждом ряду. Рабочая среда к секционным инжекторам каждого ряда подводится через рядный коллектор. Рядные коллекторы объединены общей подводящей трубой с установленными на ней регулирующим клапаном и датчиками параметров рабочего тела (температуры, давления).

Секционные инжекторы могут крепиться на фланцах в общем корпусе (на передней стенке отсека камер смешения). Также диффузоры секционных инжекторов могут крепиться на фланцах к стенке выходного отсека блока.

В качестве примера на рис. 6.1. (см. черт. ДП 6112.04) показана эскизная компоновка и габариты основных элементов БСИ для ГТУ-ТЭЦ, разработанный на базе типового секционного инжектора с применением указанных подходов и рекомендаций.

В соответствии с эскизом габаритные размеры корпуса БСИ (BxHxL) соответственно равны 1100х750х2270 мм.

Секции струйного инжектора могут быть скомпонованы по фронту сечения на входе в горелку котла. Для предполагаемых размеров входного сечения горелки В х Н не менее мм шесть параллельных струйных инжекторов компонуются попарно в 3 ряда вдоль размера 900 мм.

Подводящий трубопровод рабочего воздуха от компрессора к БСИ должен иметь минимальные потери давления и рассчитывался на среднюю скорость 25…30 . При максимальном расходе рабочего воздуха Gp=1.8 и плотности потребная площадь сечения трубопровода составляет , что соответствует диаметру D 143…130 мм. Принимаем условный диаметр подводящих труб сжатого воздуха до регулирующего клапана D 150мм.

Рис. 6.1. Эскизная компоновка БСИ для ГТУ - ТЭЦ

В пределах БСИ целесообразно выполнить разводку сжатого воздуха от общей трубы двумя параллельными коллекторными трубами D100…115мм на 3 струйных инжектора каждый. Сопла струйного инжектора могут крепиться непосредственно к фланцам отводов коллекторных труб D 50…60мм.

Положение коллекторных труб в БСИ и положение сопл на коллекторах должно четко фиксироваться, чтобы обеспечить при сборке взаимную соосность сопл и камер смешения для каждого струйного инжектора в пределах 3мм.

БСИ условно можно разделить на три отсека: воздухозаборный, стыковочный и напорный.

В воздухозаборный отсек, находящийся под атмосферным давлением, подается в двух коллекторах сжатый воздух, а также инжектируется атмосферный воздух с улицы и из машинного зала.

Стыковочный отсек находится под атмосферным давлением и конструктивно объединяет воздухозаборный и напорный отсеки. В нем размещены собственно камеры смешения и основные элементы для сборки и крепления инжекторов.

Напорный отсек, находящийся под избыточным давлением за инжекторами, должен быть герметичным. Он служит для размещения диффузоров, объединения и выравнивания потоков за струйным инжектором и организации подвода дутьевого воздуха к горелке. Вертикальный фланец напорного отсека имеет переходный блок для непосредственной стыковки с прямоугольным фланцем горелки котла, имеющим размеры проходного сечения на входе 1000х500мм.

Воздухозаборный отсек БСИ кроме входных отверстий забора воздуха из машинного зала, рассчитанных на максимальный расход инжектируемого воздуха до и снабженных шибером и грубой сеткой, должен иметь подводящий воздуховод наружного забора, также снабженный шибером и грубой сеткой, рассчитанный на максимальный расход до .

Площадь сечения воздухозаборных элементов и их размеры должны быть определены исходя из примерного равенства скоростей во всех воздухозаборах. Если, например, диаметр воздухозабора с улицы принять равным D 600 мм (при средней скорости ), то воздухозабор из машинного зала должен иметь размеры мм.

Отсеки БСИ могут быть объединены жестким сварным каркасом из профильного проката (уголка).

Масса БСИ (без воздухоподводящих патрубков, арматуры и элементов изоляции) составляет по предварительным оценкам, 650…700 кг. В верхней панели корпуса предусмотрена установка 4-х рым-болтов для строповки.

Корпус блока должен иметь специальную шумоизоляцию, снижающую шум от инжекторов до санитарных норм. Так в помещении машинного зала газотурбинной станции уровень шума не должен превышать 80 дБ на расстоянии от источника в 1 м.

Конструкция и площадь проходного сечения подводящего патрубка инжектируемой среды и отводящего патрубка блока должны быть рассчитаны на проектную производительность. При необходимости, на входе и/или выходе блока могут устанавливаться сетки (или фильтры) грубой очистки и регулирующие элементы (жалюзи, шиберы), сопротивление которых должно учитываться при оценке общих параметров блока.

Глава 7. Принципы управления БСИ для подачи воздуха в ПК. Технологическая схема применения БСИ на станции

Система подачи сжатого воздуха к БСИ должна быть снабжена запорными задвижками по одной на отборе от каждой ГТУ, а также разделительной на котле между отводами на каждый БСИ. Перед входом в каждый БСИ отвод сжатого воздуха должен быть снабжен регулирующим клапаном.

Подбор воздушной арматуры отечественного производства на указанные параметры затруднен из-за скудного ассортимента.

Управляющие органы вместе с запорными и регулирующими клапанами подачи воздуха на БСИ, а также датчики и каналы измерений, являются частью системы управления пиковыми котлами, входящей в общую систему управления технологическим процессом станции.

Запуск системы начинается после пуска хотя бы одной ГТУ и выхода на установившийся режим.

При запуске по команде системы управления котлом вначале должна открыться задвижка на воздуховоде от компрессора конкретной ГТУ (до полного открытия) при закрытых регулирующих клапанах обоих БСИ.

Расход и давление сжатого воздуха на входе в каждый БСИ должны регулироваться степенью открытия регулирующего клапана. В зависимости от режима работы ГТУ (степени сжатия компрессора), а также от величины потребного расхода воздуха через БСИ в котел, степень открытия регулирующего клапана должна меняться в широком диапазоне. Управление степенью открытия регулирующего клапана при фиксированных параметрах сжатого воздуха на входе в сопла может быть организовано в системе с отрицательной обратной связью по величине измеряемого противодавления за БСИ.

Выключение системы может производиться по команде системы управления котлом в произвольной последовательности вплоть до полного закрытия задвижки и регулирующего клапана.

Характерными величинами, которые должны определять необходимую степень открытия регулирующего клапана на различных режимах, могут служить значения параметров воздуха (статических давлений и температур) непосредственно за компрессором, в коллекторах за регулирующим клапаном (перед соплами), а также за БСИ (на входе в горелку котла).

Кроме того, необходимы периодические измерения температуры и давления наружного воздуха, а также температуры воздуха в машинном зале (в зоне забора воздуха на БСИ).

Значение давления и температуры сжатого воздуха в отборе за компрессором может быть взято непосредственно из штатных измерений ГТУ, так же, как и замер параметров наружного воздуха.

Настройка температуры воздуха за БСИ в приемлемых границах может выполняться вручную (для установившихся режимов и погодных условий) путем регулировки положения шиберов на воздухозаборах по предполагаемым величинам температур сжатого инжектируемого воздуха.

Из-за необходимости обеспечить отбор рабочего воздуха от каждой ГТУ на два пиковых котла (для резервирования в случае отказа ГТУ) на системе установлены две задвижки запорные с электроприводом №1 и №2, три задвижки №1,№2,№3 и два регулирующих клапана №1 и №2.

В работе ГТУ-ТЭЦ реализуются следующие режимы работы:

1 - Штатная независимая работа двух БСИ с отбором сжатого воздуха от соответствующей ГТУ;

2 - Временная работа двух БСИ с отбором сжатого воздуха от одной ГТУ (при аварийном останове другого блока );

3 - Работа одного БСИ с отбором сжатого воздуха от одной ГТУ (частичная нагрузка).

4 - Состояния запуска - останова ГТУ, включения, регулировки и отключения БСИ, а также переключения системы с режима на режим.

На рис.7.1. представлена принципиальная схема обвязки БСИ подачи воздуха в ПК для двухблочной ГТУ-ТЭЦ.

В состав системы подачи воздуха на ПК входят:

1. \Компрессор;

2. Камера сгорания;

3. Газовая турбина;

4. Генератор;

5. Задвижка запорная с электроприводом;

6. Задвижка;

7. Регулирующий клапан;

8. Блок струйных инжекторов;

Рис. 7.1. Принципиальная схема БСИ на ГТУ - ТЭЦ

Ниже дано краткое описание работы системы на отдельных режимах.

Работа ГТУ №1 и ГТУ №2, каждая на свой пиковый котел. Воздух поступает на ПК №1 через открытую запорную задвижку с электроприводом №1, задвижка №2 и регулирующий клапан №1.Воздух на ПК №2 поступает через запорную задвижку с электроприводом №2, задвижку №3 и регулирующий клапан №2. Задвижка №1 соединяющий отборы воздуха ГТУ №1 и ГТУ №2 закрыта.

При работе одной ГТУ на один пиковый котел. Если в работе ГТУ №1 то задвижка запорная с электроприводом №1, задвижка №2 и регулирующий клапан №1 открыты. Задвижка с электроприводом №2, задвижки №1 №3 и регулирующий клапан №2 закрыты. Если в работе ГТУ №2, то задвижка запорная с электроприводом №2, задвижка №3 и регулирующий клапан №2 открыты. Задвижка запорная с электроприводом №1, задвижки №1 №2 и и регулирующий клапан №1 закрыты.

При работе одной ГТУ на два пиковых котла. Если в работе ГТУ № 1 то задвижка запорная с электроприводом №1, задвижки №1 №2 №3 и регулирующие клапана №1 №2 открыты. Задвижка запорная с электроприводом №2 закрыта. Если в работе ГТУ №2 то задвижка запорная с электроприводом №2, задвижки №1 №2 №3 и регулирующие клапана №1 №2 открыты. Задвижка запорная с электроприводом №1 закрыта.

РК необходим для регулирования отбора сжатого воздуха, подаваемого на пиковый котел.

1. До начала отбора воздуха от ГТУ производится штатный запуск, а также выдержка для прогрева и стабилизации параметров. Предварительные минимальные расчетные параметры воздуха за компрессором (на режиме холостого хода при Тнв=+15оС):

Давление за ОК Рок=~520кПа;

Температура за турбиной Т4=250…260оС

2. После выполнения п.1 производится открытие задвижек на линии отбора сжатого воздуха на БСИ (при закрытых регулирующих клапанах отборов, сначала на один ПК с медленным открытием регулирующего клапана и подачей расхода на один БСИ (в соответствии с программой розжига ПК; подготовительные операции на БСИ и ПК здесь опущены). Максимальный проектный расход отбора на режиме полной мощности одного ПК -1,8кг/с, что составляет ~3,6% от расхода воздуха через ОК. При этом расчетный расход топлива в ГТУ на режиме холостого хода возрастет на ~2%, а средняя температура за турбиной на ?Т4=~20оС. При этом падение давления за ОК составляет ?Рок=12…15кПа.

Допускается также запуск ПК с режима частичной нагрузки. При этом мощность блока должна быть на 1,5…2МВт ниже максимальной для данной Тнв. После запуска ПК от БСИ и достижения полного отбора (1,8кг/с) можно, при необходимости, увеличить мощность до ограничений по температуре за турбиной.

Следует помнить, что резкое открытие /закрытие отборов воздуха за компрессором может вызвать неустойчивость работы ГТУ.

При запуске ПК на режимах, близких к максимальной нагрузке, следует по мере открытия регулирующего клапана отбора на БСИ контролировать заброс температур!

3. Работа одним блоком ГТУ на два ПК связана со значительными потерями мощности и КПД и предусмотрена только для нештатных условий. Отбор на второй ПК должен производиться только после запуска первого ПК. При достижении максимального проектного отбора воздуха на два ПК (3,6кг/с или 7…7,5% от расхода ОК) расчетный расход топлива на режиме холостого хода возрастает на ~5%, а средняя температура за турбиной на ~50оС. Падение давления за компрессором на холостом ходу составляет ?Рок=25…30кПа.

Внимание! До запуска второго ПК (при работающем первом) следует разгрузить ГТУ на 1,5…2МВт от величины максимальной нагрузки по температуре за турбиной.

Работа двух ПК при отборе воздуха от двух ГТУ и открытой задвижке на перемычке воздуховода не допускается!

Отключение ПК и перекрытие отборов следует производить также раздельно в обратной последовательности (снижение нагрузки ПК с уменьшением расхода до погасания и полного закрытия РК с последующим закрытием задвижек). При закрытии отбора сжатого воздуха мощность блока может изменяться в небольших пределах. Увеличение нагрузки ГТУ до максимального значения следует производить только после полного закрытия задвижек на отборах.

Прочие режимы работы ГТУ, в том числе с зажженными КС на частоте вращения ниже номинальной и отбором сжатого воздуха на один или два БСИ не допускаются!

Глава 8. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

8.1 Опасные и вредные факторы при эксплуатации и меры защиты персонала

Проектируемое устройство - струйный инжектор для подачи воздуха к горелке пикового котла газотурбинной теплоэлектроцентрали.

В условиях производства на человека в основном действуют техногенные, т.е. связанные с техникой, опасности, которые принято называть опасными и вредными производственными факторами.

Опасным производственным фактором (ОПФ) называют такой производственный фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья.

Вредным производственным фактором (ВПФ) называется такой производственный фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению трудоспособности. Заболевания, возникающие под действием вредных производственных факторов, называются профессиональными.

К опасным и вредным производственным факторам теплоэлектроцентрали следует отнести:

- электрический ток определенной силы;

- воздействие шума и вибрации;

- оборудование, работающее под давлением выше атмосферного;

- опасность возгорания.

Рассмотрим меры защиты работающих от опасных и вредных производственных факторов.

Электробезопасность

Помещение ТЭЦ и особенно ОРУ по степени безопасности обслуживания электроустановок относится к помещениям с повышенной опасностью (высоковольтное оборудование) и особенно опасным (распределительное устройство генераторного напряжения).

Работа с электрооборудованием станции должна производиться с учетом требований ПТЭ и ПТБ.

Работы в электроустановках и на оборудовании напряжением до и выше 1 кВ должны производиться при соблюдении следующих условий:

- на производство работ должно быть разрешение лица ответственного за электрохозяйство станции (наряд, распоряжение);

- работа должна производиться не менее чем двумя лицами;

- должны быть выполнены технические и организационные мероприятия обеспечивающие безопасность работ.

При обслуживании электроустановок и производства оперативных переключений должны применяться защитные средства, удовлетворяющие требованиям ПУЭ.

Защитными средствами в электроустановках являются приборы, аппараты переносные приспособления и устройства, а так же отдельные части приборов приспособлений и аппаратов, служащие для защиты персонала от поражения электрическим током и воздействия электрической дуги и ее горения.

Все изолирующие защитные средства делятся на основные защитные средства и вспомогательные.

Основными называют такие защитные средства, изоляция которых надежно выдерживает рабочее напряжение электроустановок и при помощи которых допускается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением.

Дополнительными называются такие защитные средства которые сами по себе не могут при данном напряжении обеспечить безопасность от поражения электрическим током. Они являются дополнительными к основным средствам защиты.

...