CC BY
67
УДК 621.43.056
Г. Б. ВАРЛАМОВ, д-р техн. наук, проф. П. О. ПОЗНЯКОВ, Д. М. ЮРАШЕВ
Нащональний техшчний ушверситет «Кшвський пол^ехшчний шститут», м. Ки1в
КОМПЛЕКСН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕКОЛОГ1ЧНИХ ПОКАЗНИК1В ЕКСПЛУАТАЦП ГТУ У СКЛАД1 ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНОГО АГРЕГАТУ
ТИПУ ГТК-10
В статье для исследований избраны тепловые и аэродинамические процессы сжигания газообразного топлива в камере сгорания ГТУ, которые установлены в качестве привода нагнетателя природного газа в составе газоперекачивающего агрегата (ГПА) типа ГТК-10 производства НЗЛ (Санкт-Петербург, Россия).
У статт1 длядосл1джень обрано теплов1 та аеродинам1чн1 процеси спалювання газопод1бного палива у камер1 згоряння ГТУ, як встановлет в якост1 приводу нагнтача природного газу у складг газоперекачувального агрегату (ГПА) типу ГТК-10 виробництва НЗЛ (Санкт-Петербург, РоЫя).
Вступ
Створення ГТУ та бурхливий розвиток 1х використання за останш сто роюв свщчать про 1х ушверсальшсть та перспектившсть.
Застосування ГТУ стае все бшьш поширеним у свт, створюються усе новi i новi тепловi та технолопчш схеми 1х використання. Разом з цим, ще не у повнш мiрi дослщжеш тепловi та аеродинамiчнi процеси у одному iз основних елементiв газотурбшно! установки - камерi згоряння (КЗ).
Ратифшащя положень Кiотського протоколу, тдвищення рiвня вимог до збереження еколопчносп процесiв спалювання органiчних палив у енергетичних установках пiднiмають питання покращення та оптимiзацп усiх процесiв, що вiдбуваються у камерi згоряння, на бшьш високий рiвень.
Високi тиски та швидкосп робочих речовин, надвисою рiвнi температур та об'емного термонапруження у камерах згоряння, складна залежшсть та взаемовплив цшого комплексу параметрiв одного на iншi та на характеристики процеав, що вiдбуваються у КЗ, не дозволяють отримати анал^ичного рiшення складних комплексiв диференцiальних та штегро-диференцiальних рiвнянь, якими описуеться термоаеродинамiчнi процеси у камерах згоряння навт самих «простих» 1х конструкцш.
Намагання конструкторiв зменшити габарити та вагу камер згоряння з одночасним форсуванням потужносп та об'емно! щшьносп теплових потокiв, пiдвищення швидкостей ще бшьше ускладнюють аналiз та прогнозування енергетичних та еколопчних показникiв експлуатацп таких камер згоряння i ГТУ вцшому. Зазвичай, досягнення переваг у одному чи двох показниках роботи ГТУ призводить одночасно до не прогнозованих ускладнень у питаннях забезпечення еколопчно! безпеки, значних термшв надшно! експлуатацп та мiжремонтних перiодiв.
Бурхливий розвиток обчислювально! технiки, потужних програмних засобiв та математичних методiв обчислень багатофакторних процесiв у останне десяташття розкривають перспективи та реальнi можливосп вирiшення числовими методами складних завдань i процесiв, у тому чист i об'емних та швидкоплинних тепло- аеродинамiчних процесiв у камерах згоряння ГТУ
Об'ект досл1дження
В якост об'екта дослiджень обрано тепловi та аеродинамiчнi процеси спалювання газоподiбного палива у камерi згоряння ГТУ, яю встановленi в якостi приводу нагштача природного газу у складi газоперекачувального агрегату (ГПА) типу ГТК-10 виробництва
НЗЛ (Санкт-Петербург, Роая). Декшька тисяч даних апаратiв з 1970-х роюв встановленi на компресорних станщях(КС) мук(гТС) Росп,Украсни, 1р)агт са напрацювсхи пе^ад^Оа.СОДс^а^^. мотогодинс
пррдснжнють 1 склацато хстн^вну кшлкхсть ШАнаКСцмхснатн.
Методи дослщжень
В якостi методiв дослiджень обрано пдоведення натурних експериментiв та математичногомрдснютакнр в1рттаньно-на^фних, тм р^еритрнас^1тнхх процеав
з вра^т^р^растнхом срнктню( аха^1^оисоху^янЕ^я^1СУ сфсхр
Уммне дослщжянь
За тривалий перюд експлуатацп ГПА т^и^ ГТССеОНняи експериментально встановлеш основнi недттiкиопнcтpyлщi реуeлидкoтяння (КО) ГТУ, оспонтимнсерерякин янлишясаш насрхнш^ятзначна смют тдКдмхрни викщця]намвш тть хГопянсготт мехашчного ондопалу паххзногя псу, вяснянотрошсть ткнтттттттмтко пoлятазиxoдiкK0iOкi нргaтивнавплхткюдл на енетсяожннуефрктиснiять,eкoлдriчдр тажнричиняюхь штадкиввй мвлив на ятновш
котетруктисш eлемeнииттpeгaттттзмeншyютьксp]нiн робочогомотсхездтоy.BкcИCШ суттевт зни:ж'юяюeнеркоeрдлокiчнi та <^1^с^рр^хстац1ж^^ пооаздpкиpoбoоиГПA iрoтрс0yючю вимшсинз або мiшм.глцп.
Miхш]зснiпнeдoлiкiв,пттпощтню]ocнoвниp нокязмигад експлуатацп та подовження робочого моясфехуряу ]нлсн1МБ^^ пpиoмoрiя'яcyвaннянедшoпятчdн циxнeхдхiоiвлa розсобтх дieвшíзсжодiрщоooeи оодоожнтя. З щтю мстою була сяавренстртстмрна ттдельонм^и зropaнняryлсаyоpннт]н oснoслнxкoнcтоyiяхвнвx, аиррдиним1чних тсосшювиxсомктхаocокн . Ооилтосря вмдслабула чмсякосо спрощтна для тяиcкняоннд щюцнсу фiзичного моделювання. Зокрема, на моделi не вiдобрaжaються допомiжнa арматура, яка не впливае на протiкaння основних процеав всерединi КЗ. Геометричнi умови однозначности зaдaнi границею змодельовано'1' област розрахунку. Моделювання було проведене за допомогою сузaслтуипpoгpaмноro нттлр]юy SлlrdWоrks тзнoзяaжонкoвoгoмoдyдюЛlмwSасиЫюп,а ротови^нох насучасному супехкомпьютоя!, ятквсяинхатено я Свзонррмн
ценодiтмнмдHTPУ «КПЬт
ЗагальннН оиглядмлдмнiтумrлм ^^оржн^^яв дальникarlpeдcтaзлeнoнa я^ис.3-2. Для доашджебнята aнахiзy oтсдмaмpх pеoрвоугтiвбyпо oбопшхaтаoтrpш хлдщинтфртиоаданнх педртiзiоCтиа.OЗ, зарм1ном хсpaмeттiрряктх мвмтха рмн^-^яхктвати aмeсасонiктьтлДятxмoдeлl та мщховiдxicлеn(юцeзiв дсодтрк^ня дiючiНycлоиoвпi.
Ртз. С. Молюнг мамртт зroтаххв ТТУ
Рис. 2. Загальний вигляд газового пальника та пов^яного регютру
Рис. 3. Розмщення площин фронтальних перерiзiв (I, II, III, IV) у камерi згоряння: 1 - жарова труба, 2 - корпус КЗ, 3 - великий пов^яний репстровий завихрувач, 4 - малий пов^ряний регiстровий завихрувач, 5 - газовий пальник
Дослщження аеродинампчних процес1в у камер1 згоряння
В роботi дослщжувалися аеродинамiчнi та тепловi процеси у камерi згоряння ГТУ у складi ГПА типу ГТК-10 для номшального режиму роботи.
Основною проблемою i метою моделювання е отримання вщповщних кiлькiсних характеристик для об'екта. Тому важливим питанням була перевiрка вщповщносп моделi реальному об'екту. Перевiрку адекватносп комп'ютерного моделювання проведено на основi теоретичних та експериментальних даних [1] та зведено в табл. 1.
Таблиця 1
Результати тестування аеродинамiчних характеристик моделi
Параметр Розрахункова формула Характеры перерiзи (рис.3)
I II III
Швидюсть повiтря в кшьцевому каналi мiж корпусом i жаровою трубою, м/с: (за Сударевим А.В.) [1] ,., ^пов № = Ррк.к 14,4 16,19 23,13
(на модел^ — 15,25 17,51 24,85
Вщносна похибка, % № - № д е теор мод м> ~ № теор 5,9 8 7,4
Fк.к - площа прохiдного перерiзу кiльцевого каналу мiж корпусом та жаровою трубою
Важливою аеродинамiчною характеристикою фронтально! частини камери згоряння ГТУ е аеродинамiчний отр руху повiтряного потоку та втрати тиску пов^ря на входi у камеру згоряння ГТУ. Дослщження цих характеристик на моделi i ствставлення результатiв з опублiкованими даними[1] свщчать про високу точнiсть розрахункiв на моделi (табл.1), вiдносна похибка яких не перевищуе 8 %.
Для оцшки втрат тиску в жаровш трубi проведено розрахунок коефiцiенту мюцевого опору [2]. Перепад тиску на моделi визначено з похибкою, що не перевищуе 1,5 %.
Таблиця 2
Зведеш результати розрахунку
Параметр Штатний пальник [3] Модель Вщносна похибка, %
Коефщент закриття потоку, КГ 0,03 0,03 0
Коефщент мюцевого опору, Е, 3,2 3,2 0
Перепад тиску, АР (Па) 12 324 12190 1,08
Основш аеродинамiчнi характеристики
Поля швидкостей повiтря та газово! сумiшi та розподiл !х масових часток у об'емi КЗ (рис. 4) свщчать про !х значну нерiвномiрнiсть у фронтальному перерiзi камери згорання. У процес спалювання найбшьша масова частка продуктiв згорання, що рухаеться в пристшнш областi, мае також i найбiльшу швидкiсть. Швидкють газових продуктiв суттево знижуеться в напрямку центра КЗ. Наприклад, для фронтального перерiзу II (на вщсташ L/D=0,17 вiд фронтально! зони подачi повiтря i палива) швидкiсть у центрi жарово! труби (по вiсi Х) складае 20 м/с, а у пристшнш зош бiля поверхш жарово! труби !! значення складае 60 м/с, що
Ж - Ж ■
дорiвнюе 70% нерiвномiрностi поля швидкостей. ( Sн = -де Wmax, Wmin та Wср -
Ж'ер
швидкосп газу максимальна, мiнiмальна i середня вщповщно.) Для фронтального перерiзу IV на виходi газового потоку iз жарово! труби КЗ цi значення вщповщно становлять 19 м/с i 61 м/с, що вщповщае 65% нерiвномiрностi швидкостi у поперечному перерiзi (рис.5).
Рис. 4. Розподш швидкостей (фронтальний перерiз)
Швидкiсть
Координата по вю Х
Рис. 5. Швидкiсть руху газово! сумiшi в контрольних точках на фронтальних перерiзах КЗ: 1 - перерiз I; 2 - перерiз II; 3 - перерiз III; 4 - перерiз IV (рис.3)
Несиметричшсть поля швидкостей, в основному, викликане наявшстю впливу велико пов^ряного регiстра, який мае протилежний характер закручування пов^я у порiвняннi семи малими регiстрами пальникiв. Це створюе умови для коливання та ускладнен характеру впливу аеродинамiчних особливостей КЗ на вiбрацiйнi характеристики агрегат Постшна змiна швидкостей газових потоюв та значна !х нерiвномiрнiсть призводить , постiйних змiн тиску у рiзних зонах по усьому об'ему жарово! труби i наявнос рiзнонаправлених пульсацiй потоку. Вплив цих пульсацш газового потоку на виходi з каме] згоряння при потрапляннi на лопатки турбши сприяе утворенню вiбращi не тiльки турб1 високого тиску (ТВТ), а i у всш ГТУ.
Розташування точок вимiрювання швидкостi та температури та швидкостi потоку у перерiзi IV КЗ наведено на рис. 6. Максимальний перепад швидкост по перерiзу в абсолютних величинах складае 44,3 м/с, що свщчить про наявнiсть певних пiдстав для створення зон аеродинамiчних гальмувань, прискорень та хаотичних рухiв газових потоюв.
Рис. 6. Розмiщення точок вимiрювання швидкостi та температури потоку
на виходi з камери згоряння
Важливим також е результати дослщжень процеав сумiшоутворення у камерi згоряння, яю е основою процесiв спалювання газово! сумiшi. Головною iдеею створення КЗ дано! конструкцй е забезпечення активно! турбулiзацi! повiтряного потоку, який за рахунок рiзнонаправленого закручування повiтря у великому та семи малих репстрах повинен забезпечити яюсне сумiшоутворення. Але значна турбулiзацiя повiтря ще не означае забезпечення високоякюного сумiшоутворення. Дослщження на моделi потокiв повiтря та паливного газу та розподш по фронтальних перерiзах !х масових часток розкривае значш перепади цих величин (рис. 7). Це дозволяе ощнити яюсть сумiшоутворення газопов^яно! сумiшi i якiсть !! спалювання в об'емi КЗ, як недостатньо ефективними.
Рис. 7. Розподш масових часток пов^ря та паливного газу в КЗ
Дослщження теплових процеав у камер1 згоряння
Модель показала недостатньо яюсне перемiшування природного газу i пов^ря у серединi жарово! труби тд час процесу спалювання (рис. 7). В центрi КЗ в мюцях знаходження факелiв досить мала масова частка повггря, що е передумовами до хiмiчно! неповноти згорання i утворення СО. Зазначенi умови мають негативний вплив на ККД установки в цшому i !! еколопчш показники.
Модель дозволила здiйснити аналiз теплових процесiв i проаналiзувати передачу теплоти конвекщею та лучистим теплообмшом пiд час спалювання природного газу у КЗ ГТУ у складi ГПА типу ГТК-10.
Перед проведенням комплексу експерименпв з дослщження теплових процеав у КЗ, математична модель протестована та перевiрена на адекватшсть. Представленi на рис. 8 та 9 поля температур у об'eмi жарово' труби, що здiйсненi за А. В. Сударевим i опублiкованi [1] та отримаш за допомогою моделi (метод кшцевих об'емiв), свiдчать про коректнi розрахунки, що отримаш за допомогою модель Максимальна вщносна похибка розрахунюв не перевищуе 5 % табл. 3. Таким чином, результати дослщжень теплових процеав у КЗ за допомогою моделi з точнiстю до 5 % вщповщають реальним значенням температур в жаровш трубi КЗ.
I П
Рис. 8. Теоретичний розрахунок за Сударевим А.В.
Рис. 9. Дослщжувана модель (штатний варiант)
На рис. 10 спостер^аеться значний перепад температури продуктсв згорання в перерiзi КЗ. Невелика масова частка продуктсв згорання, що рухаеться в цен^ камери згорання, безпосередню за факелами мае найбшьшу температуру. Температура значно змiнюеться як в напрямку вщ центра КЗ до боково' поверхнi жарово'1 труби, так i вздовж камери.
Наявшсть значного температурного градiенту у потощ продуктiв згоряння, що потрапляе на лопатки турбши, здатна бути причиною значних термiчних напружень, якi негативно впливають на термiчну стiйкiсть та термш роботи основних елементiв ТВТ.
Таблиця 3
Зведеш результати розрахунку температури у КЗ ГТУ
Параметр Перерiз Штатний пальник [1] Модель Похибка, %
Температура основного потоку газiв в поперечному перерiЗi жарово! труби, К I 1330 1265 4,87
IV 1462 1389 4,99
Температура корпусу, К I 715 703 1,8
II 760 751 1,2
III 730 720 1,34
IV 720 707,4 1,75
Рис. 10. Розподш температур у КЗ
Накладання температурного поля на поля швидкостей за вщповщними перерiзами дозволяе спостершати в ядрi факелу газовi потоки з високою температурою та ввдносно малою швидкiстю. Температура в цих областях перевищуе 1500.. ,1700°С, що е умовою утворення термiчних оксидiв азоту NОx, а незначна швидкють потоку створюе «затягування» перебування сумiшi у цiй зонi i ще бiльше каталiзуе емiсiю оксидiв азоту.
Не симетричшсть поля швидкостей впливае також i на поле температур. Спостершаються значнi перекоси температур, як в радiальному, так i в вюьовому напрямках у жаровiй трубi КЗ (рис. 11).
Температура
2500 -2300 -2100 -* 1900 £ 1700 -![ 1500 -
£ 1300 2
® 1100 900 -700 -
500 , , , , , , ,
0 0,06 0,12 0,18 0,24 0,3 0,36 0,42 0,48 0,54
Координата по вю Х
Рис. 11. Температура газово! сумiшi в контрольних точках на фронтальних перерiзах КЗ: 1 - перерiз I; 2 - перерiз II; 3 - перерiз III;
4 - перерiз IV (рис. 3)
Результати дослщжень
Проведет дослщження аеродинамiчних та теплових процеав, що вiдбуваються у КЗ ГТУ у складi ГПА типу ГТК-10 виявили низку особливостей, основними з яких необхщно назвати наступнi:
- найбшьша масова частка газових потоюв рухаеться в пристiннiй област жарово! труби i мае найбшьшу швидкiсть;
- газовий потiк, що рухаеться у цен^ КЗ, мае знижену швидюсть i пiдвищену температуру у порiвняннi iз пристiнним газовим потоком;
- поля температур та швидкосп газових потоюв значною мiрою нерiвномiрнi, як по поперечному перерiзi КЗ, так i вздовж жарово! труби камери згорання;
- рiзнонаправленiсть закрутки повiтря основним регiстром та регистрами семи пальникiв посилюе нерiвномiрнiсть розподiлу часток повiтря та паливного газу та ускладнюе процес яюсного сумiшоутворення;
- нерiвномiрнiсть розподiлу температур газових потоюв по поперечному розрiзу жарово! труби складае майже 35 %, а у вюьовому напрямку вщ фронтового пристрою до виходу з камери згоряння вона досягае значень майже 60 %;
- поля швидкостей газових потоюв по поперечному розрiзу жарово! труби та у вюьовому напрямку вiд фронтового пристрою до виходу з камери згоряння мають значну нерiвномiрнiсть, а саме: у поперечному розрiзi нерiвномiрнiсть значень швидкостей досягае 50 %, а у осьовому напрямку - до 70 %;
- наявш значш перекоси температури газових потоюв по поперечному розрiзу жарово! труби та у вюьовому напрямку вщ фронтового пристрою до виходу з камери згоряння спричиняють появу зон i об'емiв з низькими значеннями швидкостей з одночасно високими значеннями температур i навпаки.
Висновки
Проведенш аеродинамiчнi та тепловi дослiдження комплексу показниюв експлуатацп ГПА типу ГТК-10 з використанням сучасних методiв та шструмешив комп'ютерного моделювання дозволили отримати низку важливих показникiв, якi характеризують стан i особливостi складних процеав у камерi згоряння ГТУ агрегату.
Серед головних чинниюв, що впливають на низький piBeHb ефективностi та еколопчно'1' безпеки експлуатацп ГПА:
- високий piBeHb нерiвномiрностей полiв температур та швидкостей;
- низький piвeнь якост сумiшоутвоpeння;
- значний аepодинамiчний опip фронтового пристрою peгiстpового типу пов^ряному потоку.
Тому загальний характер ускладнень яюсного сумiшоутвоpeння та спалювання, висока тepмiчна та аepодинамiчна нepiвномipнiсть газових потокiв у жаpовiй тpубi створюють ускладнення щодо якiсного згоряння газоподiбноi сумiшi, появу обмежень стабшьно'1' роботи ГПА у широкому дiапазонi навантажень i потребують проведення модершзацп.
З метою покращення позитивних характеристик ГПА пропонусться здiйснeння модершзацп пальниково'1' системи за рахунок використання трубчасто'1' технологи газо спалювання [4-6], яка мае комплекс позитивних ефекпв при використанш у камерах згоряння ГТУ
Список литератури
1. Сударев А. В., Антоновский В. И. «Камеры сгорания газотурбинных установок: Теплообмен.» Л.: Машиностроение, 1985. - 272 с.
2. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
3. Сторожук Я. П. Камеры сгорания стационарных газотурбинных и парогазовых установок: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1978. - 231 с.
4. Варламов Г. Б., Приймак К. О., Позняков П .О., Олшевич Н. В. Сумюна пальникова система камери згоряння газотурбшно'1' установки. Патент Украши на корисну модель
№ 63678, вид. 10.10 2011 р., бюл. № 19, 5 стор.
5. Варламов Г. Б., Приймак К. О., Позняков П. О., Олшевич Н. В. Збipний пальниковий пристрш камери згоряння газотурбшно'1' установки. Патент Украши на корисну модель № 63679, вид. 10.10 2011 р., бюл. № 19, 6 стор.
6. Варламов Г. Б., Марчук Я. С., Беккер М. В., Любчик Г. М., Камаев Ю. М., Позняков П. О., Кузьменко Д. О. Трубчаста технолопя газоспалювання - прорив у енергозбереженш та еколопчносп транспортування природного газу// Нафтогазова енергетика, № 1(12), 2010. - С. 60-63.
COMPLEX RESEARCHES OF ENERGYECOLOGICAL INDEXES OF EXPLOITATION OF GTU ARE IN COMPOSITION GASCOMPRESSOR UNIT
AS GTK-10 G. B. VARLAMOV, D-r Scie. Tech., Pf.
P. O. POZNJAKOV, D. M. JURASCHEV
In the article for researches the thermal and aerodynamic processes of incineration of gaseous fuel are select in a chamber combustions of GTU, which are set as a drive of supercharger of natural gas in composition gascompressor unit (GPA) of type of GTK-10 of production ofNZL (Saint Petersburg, Russia).
Поступила в редакцию 04.11 2011 г.
