Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных направлений развития электроэнергетики в нашей стране и за рубежом является строительство электростанций с использованием газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ). ГТУ широко применяются и во многих отраслях промышленности и на транспорте.
Большое влияние на общую экономичность, надежность, долговечность и экологическую безопасность ГТУ и ПГУ оказывает качество воздуха, поступающего в ГТУ, а также эффективность шумоглушащих и противообледенительных систем.
В настоящее время все более актуальной становится тенденция повышения единичной мощности ГТУ, параметров цикла, экономичности, надежности и увеличения межремонтного периода. Это ужесточает требования к чистоте воздуха поступающего в компрессор ГТУ с минимизацией потерь давления при его подготовке. Последнее требование особенно важно, т.к. потери давления во входном тракте 1000 КПа (100 мм Н2О) снижает мощность ГТУ до 2 %.
Анализ эксплуатационных показателей отечественных и зарубежных ГТУ показывает значительное снижение их эффективности, надежности и долговечности из-за загрязнения, эрозионного износа и коррозии элементов проточных частей.
Воздух, поступающий в компрессор ГТУ, может содержать большое количество взвешенных в воздухе частиц с различными физико-химическими свойствами, оказывающих эрозионно-коррозионное, абразивное и налето-опасное воздействие на элементы проточных частей ГТУ.
Многочисленные исследования и опыт длительной промышленной эксплуатации ГТУ показывают, что ресурс их лопаточного аппарата без использования надежных, эффективных обеспыливающих устройств значительно ниже расчетного.
Защита проточных частей ГТУ должна базироваться на обоснованных значениях начальной и остаточной запыленностей воздуха.
Увеличение мощности и увеличение параметров цикла приводит к возрастанию динамических нагрузок на элементы газовоздушного тракта, что является причиной значительного звукоизлучения в широком диапазоне частот.
Анализ работы комплексных воздухоподготовительных устройств (КВОУ), воздухозаборных трактов (ВЗТ) и акустических характеристик компрессорного оборудования показывает необходимость проведения работ и внедрения конструктивных мероприятий по снижению уровня потерь давления в элементах тракта, а также шума в них.
Решение проблемы, связанной с разработкой, исследованием, созданием и внедрением оборудования ВЗТ позволяет обеспечить надежную и эффективную защиту проточных частей ГТУ от инородных включений и интенсивного шума, создаваемого компрессором при минимальных потерях. Это имеет важное значение для эффективности энергопроизводства в стране.
Работа соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ, а также критическим технологиям РФ (производство электроэнергии и тепла на органическом топливе) из перечня, утвержденного Президентом РФ от 30.03.2002г.
Объектом исследования и разработки является оборудование ВЗТ, включая и комплексные воздухоподготовительные установки ГТУ мощных ПГУ, их системы и элементы.
Целью исследования является создание новых и совершенствование существующих методов, методик расчета и проектирования средств подготовки воздуха и шумозащитных конструкций воздухозаборных трактов стационарных энергетических газотурбинных установок ПГУ большой мощности.
Задачи исследования
Анализ и систематизация существующих методов подготовки воздуха и шумоглушения.
Обобщение отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации воздухоподготовительных и шумозащитных конструкций.
Создание стендов и экспериментальных моделей для аэродинамической отработки блоков ВЗТ и исследования характеристик фильтрующих элементов соответствующих заданным климатическим и региональным условиям.
Изучение аэродинамики движения воздуха в элементах ВЗТ с их аэродинамической отработкой на экспериментальных установках, определение влияния режимных и конструктивных параметров элементов ВЗТ на эффективность очистки, подогрева (охлаждения) воздуха, шумоглушения, а также совершенствование существующих, и разработка новых методик расчета.
Сопоставление результатов расчетных исследований с результатами модельных и промышленных экспериментальных исследований.
Создание на основе экспериментальных и теоретических исследований, образцов ВЗТ с последующей промышленной апробацией и доводкой на электростанциях, позволяющих обеспечить надежную, экономичную и длительную эксплуатацию ГТУ ПГУ применительно к конкретным условиям эксплуатации. При этом ВЗТ должны состоять из унифицированных, транспортабельных, легко монтируемых блоков с максимальной заводской готовностью.
Разработка и внедрение в промышленную эксплуатацию ВЗТ: МЭС-60 (производитель ФГУП ММПП «Салют») на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго», ГТЭ-110 (производитель ОАО «НПО «Сатурн») на Ивановской ГРЭС, ГТЭ-65 (производитель филиал ОАО «СМ»-«ЛМЗ») на ТЭЦ-9 ОАО «Мосэнерго», ГТЭ-20С (производитель ФГУП ММПП «Салют») на ГТ-ТЭЦ в Нигерии.
Разработка научно-технических рекомендаций по созданию новых ВЗТ ГТУ энергетических ПГУ, отвечающих требованиям нормативной документации и техническим условиям на поставку основного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны и созданы стенды для модельных экспериментальных исследований аэродинамики элементов КВОУ и ВЗТ, систем пылеулавливания и шумоглушения.
Разработаны методики модельных стендовых и промышленных экспериментальных исследований эффективности элементов и систем, входящих в ВЗТ и ВЗТ в сборе, что даёт возможность на стадии проектирования принимать оптимальные технические решения.
Получены экспериментальные данные по аэродинамике элементов ВЗТ, потерям давления в них и на их основе разработаны методики аэродинамического расчета элементов (блоков) ВЗТ.
Разработаны научно-технические рекомендации по типу, конструкции и составу блоков ВЗТ в зависимости от места установки ГТУ, режимов ее работы, концентрации пыли в районе расположения электростанции, фракционного и минералогического состава пыли, процентного содержания в ней химически активных веществ.
На основе теоретических и стендовых исследований создан и защищен патентом РФ новый модуль ВЗТ, позволяющий реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, влагоудаление и его очистку.
Разработана концепция снижения уровня шума в ВЗТ, позволяющая повысить экологическую безопасность в месте установки ПГУ.
Разработана методика расчета и проектирования шумоглушащих систем в элементах ВЗТ.
Разработана методика расчетов на прочность ВЗТ и его элементов.
Разработаны принципы создания и конструкция системы охлаждения воздуха на входе в ГТУ, что существенно улучшает её эксплуатационные характеристики при высоких температурах наружного воздуха.
Разработаны методика создания и конструкция противообледенительной системы ВЗТ, способствующей повышению надежности ГТУ.
Разработаны нормативные документы (Общие технические требования к системам фильтрации воздуха для энергетических газотурбинных установок).
Все научные результаты подтверждены стендовыми модельными и промышленными испытаниями натурных ВЗТ, внедренных на ГТУ, входящих в энергетические ПГУ.
Основные положения, выносимые на защиту
Технические требования, концепция создания, тип основных элементов, их конструктивный профиль для современных ВЗТ, обеспечивающих высокую эффективность, надежность и экологическую безопасность мощных энергетических ГТУ в зависимости от климатических условий их установки, режимов работы, физических и химических свойств и концентрации пыли при работе ПГУ.
Результаты комплекса модельных стендовых экспериментальных исследований (в том числе методики) аэродинамики элементов ВЗТ, а также результаты промышленных исследований ВЗТ на электростанциях.
Расчетные модели аэродинамического и прочностного расчета элементов (блоков) ВЗТ.
Методика расчета и проектирования шумогасящих систем в элементах ВЗТ.
Приоритетная конструкция (защищенная патентом РФ) нового модуля ВЗТ, позволяющая реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, его очистку и влагоотделение.
Принципы создания и конструкция системы охлаждения циклового воздуха на входе в ГТУ, что существенно улучшает эффективность при высоких температурах воздуха.
Методика создания и конструкция противообледенительной системы ВЗТ.
Достоверность и обоснованность результатов работы определены:
использованием апробированных методик измерений при проведении экспериментальных исследований;
полнотой стендовых и промышленных экспериментальных исследований элементов ВЗТ;
использованием современных апробированных методов планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных результатов;
удовлетворительным согласованием результатов экспериментальных модельных стендовых исследований и натурных испытаний ВЗТ с данными расчетов по уточненным автором моделям и методикам;
положительными результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях, а также положительным опытом эксплуатации созданных и реализуемых ВЗТ на электростанциях.
Практическая значимость работы заключается в том, что разра-ботанные с участием автора технические требования к элементам ВЗТ для энергетических ГТУ, концепция создания, тип основных элементов, их конструктивный профиль могут быть использованы при создании ВЗТ современных и перспективных энергетических ГТУ мощных ПГУ. При этом обеспечивается высокая эффективность, надежность и экологическая безопасность ГТУ с учетом места установки, климатических условий, режимов эксплуатации, физико-химических свойств и концентрации пыли.
Разработанные автором: система охлаждения циклового воздуха способствует повышению эффективности ГТУ при ее работе в условиях высоких температур окружающего воздуха, а противообледенительная система - повышению надежности энергетической установки.
Разработанная приоритетная конструкция нового модуля ВЗТ, позволяющая реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, его очистку и влагоудаление и снижающая его металлоемкость.
Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы при разработке и внедрении в промышленную эксплуатацию ВЗТ для ПГУ типа МЭС-60 (разработчик и производитель ФГУП ММПП «Салют»), на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго», ГТЭ-110 (производитель ОАО «НПО «Сатурн») на Ивановской ГРЭС, ГТЭ-65 (производитель филиал ОАО «СМ»-«ЛМЗ») на ТЭЦ-9 ОАО «Мосэнерго», ГТУ-20С (производитель ФГУП ММПП «Салют») на ГТ-ТЭЦ в Нигерии.
Результаты работы вошли в энциклопедию «Машиностроение» том IV-18 (книга 2).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований при разработке технических требований к КВОУ энергетических ГТУ, концепции создания ВЗТ, определении типа основных элементов, их конструктивного профиля, разработке экспериментальных стендов, методик и программ стендовых и промышленных исследований, анализе и обобщении результатов исследований, сборе данных по повреждаемости проточных частей ГТУ из-за попадания пыли, разработке методики оценки снижения экономичности проточных частей ГТУ, разработке конструкции приоритетного блока ВЗТ, системы охлаждения воздуха и противообледенительной системы, разработке и уточнении методик аэродинамического и прочностного расчета элементов ВЗТ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в ……различных изданиях (из них……относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в том числе в энциклопедии «Машиностроение» том IV-18, книга 2, Паровые и газовые турбины,…….свидетельство Роспатента.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературных источников, насчитывающего 198 наименований.
Весь материал изложен на 379 страницах машинописного текста, содержит 146 .рисунков и 30 таблиц.
