Комплексное воздухоочистительное устройство для очистки циклового воздуха газотурбинной установки
Владельцы патента RU 2344302:
Закрытое Акционерное общество "Научно-Производственная Фирма "НЕВТУРБОТЕСТ" (ЗАО НПФ "НЕВТУРБОТЕСТ") (RU)
Изобретение относится к области энергетики, в частности к газоочистительным устройствам для очистки забираемого из атмосферы воздуха и подготовки его к подаче в компрессор газотурбинной установки. Комплексное воздухоочистительное устройство для очистки циклового воздуха газотурбинной установки содержит последовательно установленные по ходу всаса воздушного потока погодозащитный козырек, двухсекционное воздухоподогревающее устройство, блок инерционной очистки, вентиляторы отсоса пыли, блок тонкой очистки, содержащий воздушные фильтры, байпасный блок с размещенными в нем байпасными клапанами, блок шумоглушения, соединенный через переходной воздуховод с входным патрубком компрессора. После погодозащитного козырька по ходу всаса воздушного потока установлена вертикальная шахта, а погодозащитный козырек снабжен разделительной перегородкой. Блок инерционной очистки, воздушные фильтры тонкой очистки, байпасный блок и блок шумоглушения расположены вне пределов вертикальной шахты, параллельно ее нижней части, образуя горизонтальный участок комплексного воздухоочистительного устройства. В нижней части вертикальной шахты выполнен поворот под 90° с радиусом, равным 0,30-0,35 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства. Перед блоком инерционной очистки выполнен буферный участок с длиной 0,2-0,3 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства. Изобретение позволяет повысить надежности работы оборудования путем уменьшения входной неравномерности и гидравлического сопротивления всего участка воздухозабора, а также улучшить условия его обслуживания и ремонта. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для подготовки атмосферного воздуха перед подачей его в турбокомпрессор газотурбинной установки (ГТУ). Изобретение может быть использовано применительно к осевым компрессорам ГТУ, а также для воздушных турбокомпрессоров, работающих в различных климатических зонах в металлургии, химии, энергетике и других отраслях промышленности.
Находящиеся в атмосферном воздухе частицы промышленной и природной пыли, попадая в проточную часть компрессора, вызывают образование отложений в газовоздушном тракте ГТУ и эрозию проточной части компрессоров. Вследствие эрозии происходит профильный износ и подрез лопаток, в 2-4 раза уменьшающий ресурс их работы, что снижает эффективность, надежность и моторесурс энергоустановки в целом.
Одним из главных факторов, влияющих на интенсивность износа проточной части, является концентрация взвешенных в потоке частиц. Разрушающее воздействие запыленного потока прямо пропорционально концентрации пыли в нем.
Как показывают многочисленные исследования российских и зарубежных ученых, в тонком приземном слое атмосферы концентрация пыли в степенной зависимости уменьшается с ростом расстояния от земной поверхности. Так, по данным института газовой промышленности «ВостокГИПРОгаз» уменьшение концентрации пыли с высотой описывается уравнением: Кн=а·Н-1,6·в, где Кн - концентрация пыли, мг/м3, Н - расстояние до земной поверхности, м, «а» и «в» - постоянные, имеющие разное значение для разных видов почв. Начиная с высот 6-10 м уменьшение запыленности с высотой становится (по абсолютным значениям) незначительным. Некоторые зарубежные специалисты придерживаются того мнения, что в пределах приземного слоя толщиной 10-15 м с увеличением высоты воздухозабора на каждые 3 м запыленность падает в два раза.
Основываясь на этих данных, подавляющее большинство фирм-разработчиков и поставщиков комплексных воздухоподготовительных устройств (КВОУ) принимают нижнюю точку воздухозабора на отметке 6,000 и более.
Современные газотурбинные двигатели большей частью являются конвертированными вариантами хорошо отработанных высокоэкономичных авиационных двигателей, устанавливаемых в индивидуальных укрытиях на бесподвальных фундаментах. Осевые компрессоры конвертируемых двигателей способны обеспечить экономичную и надежную работу ГТУ при условии поступления на вход равномерного осевого потока.
Необходимость организации воздухозабора на отметке выше «6.000» при расположении оси агрегата в диапазоне отметок 1.500-2.500 вызывает к жизни в составе КВОУ участок снижения или поворотный участок, который, как правило, располагается непосредственно перед входом в проточную часть.
Ведущие поставщики КВОУ [в России: ВНИИГАЗ, ООО «Самара Авиагаз», ОАО «КМПО»(Казань), НПФ «НЕВТУРБОТЕСТ»..., в промышленно-развитых странах фирмы: ABB STAL (Швеция), AAF (США), GE (General Electric Company USA, BB Kraftwerke Berlin GbmH (Германия), Donaldson (Дания), EMW filtertechnik (Германия), NORDIC AIR FILTRATIONF (Дания)] предлагают потребителям следующие типовые конструкции КВОУ:
- КВОУ контейнерного типа с односторонним всасыванием или двустороннего всасывания;
- КВОУ шахтного типа;
- панельного типа (для ГТД большой мощности).
Известно комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ) для газовых турбин энергетических установок, состоящее из последовательно соединенных между собой блоков: воздухоприемного с устройством подогрева атмосферного воздуха, инерционного жалюзийного сепаратора с вентиляторами отсоса пыли, фильтра тонкой очистки, устройства шумоглушения и переходника, соединяющего КВОУ с патрубком турбокомпрессора ГТУ (Е.И.Михайлов, В.А.Резник, А.А.Кринский. "Комплексные воздухоочистительные устройства для энергетических установок". Л.: Машиностроение, 1978, с.34-49).
Недостатками данного устройства являются повышенное аэродинамическое сопротивление, повышенный уровень шума, неравномерность поля скоростей воздушного потока, повышенный расход электроэнергии вспомогательного оборудования.
Известно воздухоочистительное устройство шахтного типа, ВОУ-ЦН100 конструкции ООО «Самара Авиагаз». Устройство состоит из погодного козырька, двухступенчатой системы очистки циклового воздуха, системы подогрева, блока байпасных клапанов, шумоглушителя, поворотного устройства (для перехода от вертикальной части ВОУ к горизонтальной), переходника, опорных конструкций и площадок обслуживания. Устройство поставляется с системой освещения, электрооборудованием, КИП, а в циклонной части ВОУ используются мультициклоны конструкции ВНИИГАЗ. Во второй ступени очистки установлены накопительные компакт-кассеты типа МРК-4+VK-KW1/R производства фирмы EMW (Германия). Батарейные циклоны установлены по четырем наружным сторонам прямоугольной воздухоприемной камеры. Камера разделена перегородками на секции, во второй части которых помещены компакт-кассеты.
Недостатком данного технического решения является повышенное гидравлическое сопротивление блока пылеулавливания, вызванное особенностями компоновки устройства. В реальных условиях эксплуатации при воздействии ветровой нагрузки согласно закономерностям архитектурно-строительной аэродинамики на боковых наветренной и заветренной воздухозаборных плоскостях образуются зоны разного давления (см. Реттер Э.И. Архитектурно-строительная аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1981, §3.7. и 4.1.). Различие величин давлений с разных сторон шахты приводит к возникновению входной неравномерности (разные скорости и массовые расходы через каждую воздухозаборную поверхность) и соответственному росту потерь полного давления в циклонной ступени очистки. Повышенное гидравлическое сопротивление второй ступени очистки наряду с входной неравномерностью объясняется тем, что фильтр тонкой очистки размещен в общем канале, где скорость потока в тракте очистки является максимальной.
Плохо организованный поворот на 90° из вертикальной части ВОУ к горизонтальному воздуховоду является источником дополнительных гидравлических потерь и увеличенной, дополнительно к уже имеющейся за блоком воздухоочистки, неравномерности потока на входе в ГТД. При этом в рассматриваемой конструкции характеризующий степень неравномерности потока коэффициент Буссинеска (коэффициент количества движения) может достигать величин Мн=1,3÷1,4, что для современных сверхзвуковых первых ступеней компрессора означает возрастание потерь во входном направляющем аппарате на 30÷60 мм вод. ст.
Повышенное гидравлическое сопротивление приводит к снижению КПД газотурбинной установки и всего газоперекачивающего агрегата в целом.
Сложность конструкции не может обеспечить санитарную норму уровня звукового давления, которое превышает 80 дБ, особенно при включенном подогреве циклового воздуха.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является изобретение «Комплексное воздухоподготовительное устройство газотурбинной установки» (ГТУ), защищенное патентом РФ №2280706 (заявка №2004129040/06), опубликованное 20.12.2006 г.
Устройство включает последовательно установленные по ходу всаса воздушного потока: воздухоприемный блок, снабженный погодозащитным козырьком и антиобледенительным (воздухоподогревающим) устройством, блок инерционной очистки с вентиляторами отсоса пыли; блок воздушных фильтров (блок тонкой очистки); байпасный блок со встроенными в него байпасными клапанами, датчиком постоянного контроля запыленности атмосферного воздуха, установленным на корпусе байпасного блока и подключенным к системе управления ГТУ; блок шумоглушения, соединенный через переходный воздуховод с входным патрубком энергетической установки.
Основным недостатком вышеуказанной конструкции, как и других известных устройств, является осуществление поворота потока - изменение направления движения воздуха из вертикального в горизонтальное в непосредственной близости от входа в проточную часть ГТД, что приводит к высокой степени неравномерности потока и возрастанию потерь полного давления в ГТД на участке от входа в двигатель до выхода из ВНА (входного направляющего аппарата осевого компрессора) на 50÷100 мм вод.ст. Повышение потерь из-за входной неравномерности может оказаться больше, чем сопротивление всего многофункционального КВОУ. Места образования дополнительных вызванных входной неравномерностью потерь - ребра жесткости, поддерживающие передний подшипник осевого компрессора и ряд лопаток ВНА. Неравномерность входного потока вызывает также неустойчивость работы и рост динамических напряжений лопаточного аппарата, что ведет к уменьшению надежности и снижению ресурса двигателя. Существенным недостатком, для районов с умеренным и холодным климатом, является необходимость в ветреную погоду в зимнее время года проводить ремонтные и регламентные работы на большой высоте.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы оборудования путем уменьшения входной неравномерности и гидравлического сопротивления всего участка воздухозабора, состоящего из КВОУ, всасывающего воздуховода и участка проточной части от ее входного сечения до входа в первое рабочее колесо, улучшение условий регламентного обслуживания и ремонта КВОУ.
Технический результат достигается за счет того, что принципиально изменяется пространственная компоновка и частично конструкция отдельных функциональных блоков известного комплексного воздухоочистительного устройства, содержащего последовательно установленные по ходу всаса воздушного потока: воздухоприемный блок, снабженный погодозащитным козырьком и антиобледенительным (воздухоподогревающим) устройством, блок инерционной очистки с вентиляторами отсоса пыли; блок воздушных фильтров (блок тонкой очистки); байпасный блок со встроенными в него байпасными клапанами, датчиком постоянного контроля запыленности атмосферного воздуха, установленным на корпусе байпасного блока и подключенным к системе управления ГТУ; блок шумоглушения, соединенный через переходный воздуховод с входным патрубком компрессора, внесены конструктивные изменения, а именно:
- оно дополнительно содержит вертикальную шахту, установленную по ходу всаса воздушного потока после погодозащитного козырька;
- погодозащитный козырек снабжен разделительной перегородкой, смещенной относительно вертикальной оси шахты в сторону от компрессора;
- блок инерционной очистки, воздушные фильтры тонкой очистки, байбасный блок и блок шумоглушения расположены вне пределов вертикальной шахты, параллельно ее нижней части, образуя горизонтальный участок комплексного воздухоочистительного устройства;
- в нижней части вертикальной шахты выполнен поворот под 90° с радиусом, равным 0,30-0,35 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства;
- перед блоком инерционной очистки выполнен буферный участок с длиной, равной 0,2-0,3 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства.
Кроме того, переходный воздуховод, соединяющий блок шумоглушения с входным патрубком компрессора, выполнен в виде конфузора, ось которого образует с осью входного патрубка угол не более 15°, а разделительная перегородка на погодозащитном козырьке смещена на величину, равную 0,10-0,15 ширины верхней части вертикальной шахты, которая, в свою очередь, составляет 0,55-0,65 высоты горизонтального участка воздухоочистительного устройства.
Введение вертикальной шахты после погодозащитного козырька, содержащей воздухоприемный блок с обтекателями и воздухоподогревающее устройство, позволило разместить основные блоки комплексного воздухоочистительного устройства соосно с входом компрессора, уменьшив гидравлическое сопротивление, а также облегчить эксплуатацию основных функциональных блоков устройства.
Размещение разделительной перегородки на погодозащитном козырьке с определенным смещением относительно оси вертикальной шахты в сторону от компрессора позволяет повысить равномерность воздушного потока на входе в блока инерционной очистки.
При смещении разделительной перегородки менее 0,10 ширины верхней части вертикальной шахты наблюдаются существенно меньшие, по сравнению со среднерасходным значением, скорости в верхних сечениях блока инерционной очистки. А при смещении большем 0,15 имеют место существенно меньшие, по сравнению со среднерасходным значением, скорости в нижних сечениях блока инерционной очистки.
Выполнение поворота в нижней части вертикальной шахты с радиусом, равным 0,30-0,35 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства, позволило плавно повернуть воздушный поток на угол 90°, что уменьшило гидравлическое сопротивление и способствовало стабилизации потока на буферном участке перед инерционном блоком. Выполнение радиуса больше 0,35 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства увеличивало бы габариты горизонтального участка, а следовательно, всего устройства.
При выполнении радиуса меньше 0,30 высоты горизонтального участка увеличивает гидравлическое сопротивление воздушного потока и длина буферного участка окажется недостаточной, чтобы стабилизировать поток после его поворота.
При длине буферного участка менее чем 0,2 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства воздушный поток не достигает необходимого выравнивания потока по углам набегания потока на инерционные элементы, а при длине буферного участка более 0,3 высоты горизонтального участка увеличиваются габариты устройства.
При выполнении переходного воздуховода, соединяющего блок шумоглушения с входным патрубком компрессора, с углом между осями воздуховода и входного патрубка компрессора более 15° резко возрастает уровень потерь на этом переходе.
При ширине верхней части вертикальной шахты менее 0,55 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства заметно возрастают уровень потерь в шахте и неравномерность потока за поворотом. А при ширине более 0,65 увеличиваются габариты комплексного воздухоочистительного устройства.
Конструкция предлагаемого комплексного воздухоочистительного устройства поясняется фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан общий вид КВОУ до входа в камеру всасывания компрессора. Оно состоит из погодозащитного козырька 1 грибковой формы, воздухоприемного блока 2 (верхняя часть шахты), воздухоподогревающего устройства 3 (антиобледенительный блок), нижней части шахты 4, блока 5 инерционной очистки, системы отбора пыли 6, вентиляторов отсоса пыли 7, блока тонкой очистки 8, состоящего из воздушных фильтров, байпасного блока 9 с байпасными клапанами 10, блока шумоглушения 11, проводного воздуховода 12, выполненного в виде конфузора, соединенного с входным цилиндрическим патрубком всасывающей камеры 14 компрессора ГТУ, и опорной рамы 13 с площадками для обслуживания КВОУ.
На фиг.2 показаны геометрические размеры шахты, радиуса поворота воздушного потока и остальных частей КВОУ, обозначенных Вш, R, Нг, в, L.
На фиг.2 также показаны обтекатели 15 воздушного потока, разделительная перегородка 16, установленная на погодозащитном козырьке 1, вторая секция 17 воздухоподогревательного устройства 3, раздаточные трубы 18 и буферный участок 19, образованный перед входом воздушного потока в инерционный блок 5 КВОУ.
КВОУ работает следующим образом.
Воздушный поток, обтекая трубчатые обтекатели 15, засасывается с двух сторон погодозащитного козырька 1 и посредством разделительной перегородки 16 разворачивается на 180° и поступает в воздухоприемный блок 2 вертикальной шахты.
В этой части шахты размещается сетчатая решетка (на фиг.1 она не показана), установленная с целью предотвращения попадания крупных предметов в прямоточные циклоны инерционного блока 5. Воздушный поток подогревается за счет раздаточных труб 18, размещенных под сетчатой решеткой, которыми снабжена вторая секция 17 воздухоподогревающего устройства 3, защищающего проточную часть КВОУ от обледенения. В нижней части 4 шахты воздушный поток разворачивается на 90° по радиусу R, размеры которого определены в заданном диапазоне соотношений относительно высоты горизонтальной части КВОУ - Нг. Затем через буферный участок 19 воздушный поток равномерно поступает на вход всех прямоточных циклонов инерционного блока 5. Уловленные прямоточными циклонами пыль, снег и другие содержащиеся в атмосфере аэрозольные частицы поступают в нижний бункер системы пылеулавливания 6 и одним из вентиляторов отсоса пыли 7 выбрасываются за пределы КВОУ. Предварительно очищенный воздух далее поступает в блок воздушных фильтров 8, затем в байпасный блок 9, на боковых стенках которого симметрично оси КВОУ, справа и слева, установлено по одному или несколько байпасных клапанов 10. При нормальной работе КВОУ байпасные клапаны закрыты. При возрастании сопротивления всаса выше обусловленного документацией предела один или несколько клапанов открываются и перепускают часть воздуха в проточную часть, минуя предыдущие блоки КВОУ. В следующем по ходу воздуха блоке шумоглушения 11 происходит основное снижение уровня шума всаса ГТУ. Выходящий из блока шумоглушения воздух по воздуховоду 12, выполненному в виде конфузора, поступает во всасывающий воздуховод 14.
Преимущества предлагаемого КВОУ, по сравнению с известными КВОУ шахтного типа, заключаются в следующем:
- расположение основных функциональных блоков КВОУ на более низком уровне относительно земли значительно облегчает эксплуатацию оборудования и повышает безопасность для обслуживающего персонала;
- наличие плавной стыковки вертикальной части шахты с горизонтальной частью КВОУ позволило значительно уменьшить гидравлическое сопротивление КВОУ и выравнять воздушные потоки на всем протяжении КВОУ.
В результате конструктивных изменений КВОУ коэффициент полезного действия (КПД) ГТУ увеличился на 0,3-0,5%.
В настоящее время, головной образец КВОУ смонтирован на магистральном газопроводе компрессорной станции Мокроус, где проходит опытную эксплуатацию.
1. Комплексное воздухоочистительное устройство для очистки циклового воздуха газотурбинной установки, содержащее последовательно установленные по ходу всаса воздушного потока погодозащитный козырек, двухсекционное воздухоподогревающее устройство, блок инерционной очистки, вентиляторы отсоса пыли, блок тонкой очистки, содержащий воздушные фильтры, байпасный блок с размещенными в нем байпасными клапанами, блок шумоглушения, соединенный через переходной воздуховод с входным патрубком компрессора, отличающееся тем, что дополнительно содержит вертикальную шахту, установленную по ходу всаса воздушного потока после погодозащитного козырька, а погодозащитный козырек снабжен разделительной перегородкой, при этом блок инерционной очистки, воздушные фильтры тонкой очистки, байпасный блок и блок шумоглушения расположены вне пределов вертикальной шахты, параллельно ее нижней части, образуя горизонтальный участок комплексного воздухоочистительного устройства, в нижней части вертикальной шахты выполнен поворот под 90° с радиусом, равным 0,30-0,35 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства, а перед блоком инерционной очистки выполнен буферный участок с длиной, равной 0,2-0,3 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства.
2. Комплексное воздухоочистительное устройство по п.1, отличающееся тем, что разделительная перегородка на погодозащитном козырьке смещена относительно вертикальной оси шахты, в сторону от компрессора на величину, равную 0,10-0,15 ширины верхней части вертикальной шахты, которая, в свою очередь, составляет 0,55-0,65 высоты горизонтального участка комплексного воздухоочистительного устройства.
3. Комплексное воздухоочистительное устройство по п.1, отличающееся тем, что переходный воздуховод выполнен в виде конфузора, ось которого образует с осью входного патрубка компрессора угол не более 15°.
