CC BY
423
УДК 621.434
ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В КОЛЬЦЕВЫХ И
ТРУБЧАТЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ Г АЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ГТН-6 И ГТ-6-750
Д.В. Черноиванов, А.И. Сухов, В.Г. Стогней
В статье представлены результаты модернизации камер сгорания газовых турбин газоперекачивающих агрегатов ГТН-6 и ГТ-6-750. Показаны преимущества использования сопловых горелок в части выравнивания температурного поля перед лопатками турбины высокого давления
Ключевые слова: газотурбинная установка, сопловая горелка, камера сгорания, температурное поле
Серьезной проблемой, с которой сталкиваются при эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ), является выход из строя направляющих лопаток первой ступени турбины высокого давления (ТВД), связанный с неравномерностью температурного поля продуктов сгорания. Проведенные
сотрудниками компании ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ» замеры температур перед ТВД в ГТУ ГТ-6-750 и ГТН-6, показали значительное превышение фактической температуры над номинальной. Температура, замеренная в камере сгорания ГТН-6, составила величину 1200оС в локальном сечении, при том, что номинальная температура составляет 750 “С.1
Указанное превышение может быть объяснено следующими причинами.
Во-первых - в топливном коллекторе, расположенном по кольцу вокруг камеры сгорания, изначально присутствует
неравномерность давления, обусловленная конструкцией коллектора.
Во-вторых - штатные горелки диффузионного типа имеют длинный факел, поэтому продукты сгорания не успевают перемешаться со вторичным воздухом достаточно хорошо.
В-третьих - из-за несовершенства процесса горения поверхность горелок покрывается сажей, часть отверстий подачи топливного газа полностью или частично забиваются, изменяя распределение газа по сечению камеры.
В ГТ-6-750 на кольцевом коллекторе топливного газа, с целью выравнивания
Черноиванов Дмитрий Валерьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-558-96-22
Сухов Анатолий Иванович - ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ», канд. техн. наук, зам. генерального директора по новой технике, тел. 8-910-676-27-01
Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 252-53-54
давления перед горелками, установлены регулируемые дроссели, что дает возможность осуществлять ручную подстройку. Эта подстройка производится, исходя из показаний десяти температурных датчиков,
установленных в каждой камере сгорания перед ТВД. Показания этих датчиков теоретически дают наглядную картину распределения температур и способствуют оптимизации процесса горения. Однако, на практике, специалистами компании ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ» выявлен значительный недостаток конструкции места соединения зонда датчика температуры с камерой сгорания, приводивший к искажению реальных показателей температуры. Место уплотнения датчика в камере сгорания (рис. 1а) выполнено, как «сфера по конусу». При перекосах элементов относительно друг друга и тепловых расширениях, сферическая часть термопары не всегда уплотняет данное соединение. Кроме того, при снижении тепловой мощности ГТУ, камеры сгорания остывают и между термопарой и стенкой камеры сгорания появляется зазор. Воздух от осевого компрессора через этот зазор попадает в камеру сгорания и обдувает термопару, искажая результаты замеров. В процессе эксплуатации ГТУ величины зазоров принимают случайные и непредсказуемые значения, поэтому ошибка в показаниях датчика для каждой камеры сгорания специфична и может меняться в зависимости от режима работы. В целом, данный недостаток конструкции приводил к занижению показаний датчиков температуры и вводил в заблуждение обслуживающий персонал, который, стремясь вывести установку на расчетный режим, приоткрывал дроссели, и увеличивал расход топливного газа. Измеренная температура становилась ближе к расчетной, но фактическая- выходила за пределы допустимой. Для исключения
подобных ситуаций было принято решение не уплотнять данное соединение совсем (рис.1б).
Данные меры позволили более точно оценивать равномерность температурного поля, т.к. щели между зондом и отверстием в камере сгорания во всех десяти местах стали равны по площади. Однако, показания термопар нельзя считать абсолютно верными даже после доработки. Связано это с тем, что, если термопара прижимается к стенке отверстия втулки со стороны подхода продуктов сгорания, то воздух, поступающий через образовавшийся зазор (до 3 мм), будет влиять на показание термопары в меньшей степени, чем если бы термопара прижалась к противоположной стенке.
При модернизации камер сгорания ГТУ типа ГТ-6-750 были реализованы следующие мероприятия для повышения равномерности температурного поля:
- с целью исключения человеческого
фактора регулирующие дроссели
демонтированы;
- с целью снижения влияния неравномерности давления в топливном коллекторе на расход газа, на магистрали
подвода газа к горелкам установлены дозирующие сопла.
Установка дозирующих сопел на линии подвода газа к горелочным устройствам приводит к выравниванию и стабилизации расхода газа через горелочные устройства. Так, в случае неравномерности давления газа в кольцевом топливном коллекторе, равной 10%, разница расходов газа через горелки при установленных дозирующих соплах составит те же 10%, в то время как без сопел расход будет различаться на 50%. Достигается такой эффект благодаря тому, что в газ в дозирующих соплах разгоняется до сверхзвуковой скорости. Сверхзвуковой режим течения поддерживается в широком диапазоне отношения давления на выходе из сопла к давлению на входе (< 0,92). При таком режиме течения расход газа через сопло меняется прямо пропорционально входному давлению, при этом зависимость расхода от давления можно определить по формуле:
а О
Рис.1. Схема установки термопары в камеру сгорания ГТ-6-750 а- штатное место входа термопары; б- место входа термопары после доработки
где С - фактический расход, кг/с; р!- давление перед соплом, Па; Я - площадь проходного сечения, м2; /х-коэфициент расхода,
Р =
ят
аК
к + 1
к+1’ )К=I
где Я- газовая постоянная, Дж/кг-град; Т-абсолютная температура, °К; д - ускорение свободного падения, м/сек2; к - показатель адиабаты.
В случае, если дозирующие сопла не установлены, расход газа через горелки будет определяться по формуле:
С = ^2др{р1 - ркс),
где Р1 -давление в топливном коллекторе, Па; ркс давление в камере сгорания, Па; д — ускорение свободного падения, м/с2 ; р — плотность, кг/м3.
При неравномерности давления в топливном коллекторе
Рітах
Рітіп
= П ,
где Р1тах и р1ты - соответственно максимальное и минимальное давление, отношение расходов на горелках будет равно
втах _ у]п р1тЫ - ркс Ст1п~ у/Р1тт - ркс
Подставив фактическое давление в камере сгорания ркс = 6 кг/см2, и в топливном
коллекторе р^ = 6,2 кг/см2, при
неравномерности 10% ( п =1,1), получим
разницу расходов равную 50%.
Таким образом, установка дозирующих сопел перед горелочными устройствами позволяет снизить влияние неравномерности давления на распределение газа по горелкам
[3].
При модернизации ГТН-6 и ГТ-6-750, взамен штатных горелок, устанавливаются горелочные устройства соплового типа (рис.2). Процесс образования топливовоздушной смеси в них происходит за счет взаимодействия спутных струй природного газа и воздуха в градиентном поле давления. При использовании таких горелочных устройств реализуется кинетическое горение
топливовоздушной смеси. Зона горения уменьшается по длине, а зона смешения продуктов сгорания с воздухом увеличивается, поэтому рабочее тело перед ТВД более однородно по концентрации и по температуре
[2].
Рис.2. Комплект горелок соплового типа для ГТ-6-750 с дозирующими соплами
На рисунке 3 показаны
модернизированные камеры сгорания ГТ-6-750. Следует обратить внимание на то, что отверстия для вторичного воздуха перенесены ближе к горелочному устройству - овальные и круглые отверстия внизу жаровой трубы
заварены, а сверху выполнены 12 круглых отверстий 046,5мм. Такое конструктивное изменение позволяет начать процесс смешения продуктов сгорания с воздухом раньше, и повышает однородность смеси [1, 2].
По последним результатам,
полученным после доработки
газотурбинных установок ГТ-6-750 на Микуньском ЛПУ МГ «Газпром трансгаз Ухта» максимальный разброс температур составил 41 оС. На ГТУ, работающих на штатных горелках, средний разброс температур перед ТВД составил 135 оС. Результаты для сопловых и штатных горелок получены на ГТУ с доработанными местами подсоединения термопары, как показано на рис. 16.
Рис.3. Модернизированная камера сгорания ГТ-6-750
Компанией ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ» к настоящему времени модернизированы 22 газотурбинные установки ГТ-6-750, находящиеся в эксплуатации в
газотранспортной системе [1], [2]. Суть
модернизации сводится к установке горелочных устройств соплового типа собственного производства и к доработке камер сгорания ГТУ.
В июле 2011 года на компрессорной станции в пос. Черемисиново Курской области
ОАО «Газпром трансгаз Москва», специалистами компании ООО«ФПК «Космос-Нефть-Газ» были проведены
экспериментальные работы по модернизации камер сгорания ГТН-6. Конструкция камеры сгорания этого типа газовых турбин -кольцевая. Горелочные устройства
расположены по периферии в едином кольцевом пространстве. Замер температур перед ТВД не предусмотрен. В предыдущие годы предпринималось несколько попыток адаптации горелочных устройств соплового типа для работы на данных агрегатах. Но из-за сложности точного прогнозирования количественного перераспределения
вторичного воздуха при замене штатных горелок, результаты этих попыток не приводили к желаемому результату.
Для проведения испытаний, в камеру сгорания ГПА ГТН-6 №13 были установлены две горелки соплового типа. Напротив этих горелок, перед ТВД, были вмонтированы две термопары, имеющие возможность
перемещения вперед и назад вдоль сечения камеры сгорания (рис. 5). При помощи термопар измерялись значения температуры продуктов сгорания перед ТВД. Усредненные результаты измерений для сопловых горелок приведены на рисунке 4 слева. Для сравнения, на рисунке 5, справа, представлена кривая, полученная при аналогичных испытаниях
штатных горелок. Как видно из представленного графика, поле температур продуктов сгорания для сопловой горелки более равномерно. Кривая штатной горелки имеет ярко выраженный пик в центре потока; температура достигает 1200 оС [1]. Очевидно, что направляющие лопатки ТВД модернизированных ГТУ будут испытывать меньшие температурные напряжения, и прослужат дольше, чем те, что работают в ГТУ со штатными горелочными устройствами.
В настоящее время экспериментальные работы на ГТН-6 продолжаются. Работа ведется по двум основным направлениям: создание оптимальной конструкции
горелочного устройства соплового типа, и модернизация камеры сгорания. Для этого проводится компьютерное моделирование процессов горения и смешения продуктов сгорания с воздухом. По результатам моделирования принято решение о необходимости трансформирования кольцевой камеры сгорания ГТН-6 в трубчато-кольцевую. Горение будет проходить в трубчатой части, при этом весь воздух от компрессора так же будет подаваться в трубчатую часть. Отверстия для воздуха в кольцевой части будут заварены. Принятые меры должны обеспечить выравнивание полей концентраций и температур перед ТВД.
ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР
Рис.4. Сравнение экспериментальных данных испытаний ГТН-6 с сопловыми и штатными горелками
Компания ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ» планирует дальнейшее
усовершенствование горелок соплового типа и освоение данной тематики применительно к другим ГТУ, находящимся в эксплуатации в газотранспортной системе ОАО «Газпром». Для разработки эффективных и экологичных конструкций, в компании проводится научноисследовательская работа [3], направленная на то, чтобы обеспечить процесс проектирования горелочных устройств соплового типа и доработку камер сгорания универсальной расчетно-теоретической базой, что позволит повысить качество данной продукции.
Воронежский государственный технический университет ООО «ФПК «Космос-Нефть-Газ», г. Воронеж
THERMAL PATTERN LEVELING TECHNOLOGIES FOR ANNULAR AND CYLINDRICAL COMBUSTION CHAMBERS OF GTN-6 AND GT-6-750 GAS TURBINES
D.V. Chernoivanov, A.I. Suhov, V.G. Stognei
This article describes results of modernization of combustion chambers of gas turbines GTN-6 and GT-6-750 and shows the benefits of nozzle burners for aligning thermal pattern in front of airfoil blades of first stage turbine
Key words: gas turbine, nozzle burner, combustion chamber, thermal pattern
Литература
1. Сухов А.И., Шевцов А.П., Авдеев Ю.Н. Научнотехнический отчет «Совершенствование ГТУ газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов модернизацией камер сгорания путем замены штатных горелок на горелочные устройства соплового типа». Космос-Нефть-Газ. г. Воронеж. 2010. -64 с.
2. Лачугин И.Г., Шевцов А.П., Сухов А. И. Модернизация камер сгорания ГТУ ГТ-6-750. «Сфера нефтегаз». 2007. №1. - 42 с.
3. Орехов Е.А., Сухов А.И. К вопросу оптимизации процесса горения в камере сгорания газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата.// Вестник ВГТУ 2010. Т. 6. №8. С. 127-131.
