CC BY
223
УДК 621.515-225
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЗДУХОЗАБОРНОГО ТРАКТА ГТУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПГУ
В.Е. МИХАЙЛОВ
ОАО "НПО ЦКТИ" - ОАО "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования имени И.И. Ползунова"
Показаны причины и условия образования льда на элементах воздухозаборного тракта газотурбинной установки и способы борьбы с обледенением. Рассмотрены преимущества и недостатки различных типов противообледенительных систем.
Ключевые слова: газотурбинная установка, воздухозаборный тракт, обледенение, противообледенительная система.
Энергетические газотурбинные установки (ГТУ) эксплуатируются в различных климатических условиях. В некоторых районах страны осенью и весной число дней с температурой от +3°С до - 6°С и влажностью 90 ч 100 % достигает 22 в месяц и до половины - со снегом и моросью. Это представляет серьезную опасность, т.к. может привести к аварийной остановке, помпажу, поломкам отдельных лопаток и даже к выходу из строя всего лопаточного аппарата осевого компрессора (ОК) [1]. Обратившись к систематизированным материалам [2] по эксплуатации ГТУ, работающих на Транс-Канадском газопроводе, видим, что за период 6-летней эксплуатации агрегатов с газотурбинным приводом общая наработка 37 установок достигла 1100 тыс. ч. В течение указанного времени из-за обледенения всасывающего тракта компрессоров произошло 18 аварий, причем 7 поломок пришлось на время мокрых снегопадов. Следовательно, при средней годовой наработке одной установки 5 ч 7 тыс. ч. поломки от обледенения наблюдались ежегодно на каждом 12-м агрегате.
В зависимости от того, какой элемент или деталь подвергается обледенению, и от интенсивности отложений льда последствия и степень воздействия этого процесса на характеристики и работу ГТУ могут быть различны. Ниже рассмотрены процессы льдообразования в элементах воздухозаборного тракта (ВЗТ) и ОК и соответствующие им ухудшения работы ГТУ.
Сложность изучения процессов обледенения с количественной и качественной сторон, вытекающая из целого комплекса условий метеорологического, термодинамического и аэродинамического характера, а также целого ряда материаловедческих и конструктивных факторов, обусловила наличие информации, характеризующей скорее отдельные элементы механизма появления льда, но не теоретически обоснованную картину всего явления в целом. Поэтому целесообразно рассмотреть и проанализировать факторы и закономерности, лежащие в основе современных представлений о льдообразовании на поверхности тел, обтекаемых воздушных потоком.
Рассматривая течение воздуха в тракте ГТУ от входа в ВЗТ до входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора как адиабатическое, при котором величина полной энтальпии потока остается постоянной, можно записать
V 2 V 2
0 1
-+ С р 0 Т0 =-+ С р 1Т1
2 2
(1)
V ■ Т V ■ т
где 0 0 - скорость и температура воздуха на входе в ВЗТ; 1 1 - то же, в сечении
с * с
перед ВНА; р 0 р1 - соответствующие теплоемкости воздуха. По формуле
V2
ЛГо = — 2Ср
можно определить понижение температуры, вызванное увеличением кинетической энергии потока. Так как скорости во входном патрубке и ВНА значительные (до 100 м/с и более), то величина АТ может составлять несколько градусов. Вследствие указанной закономерности термодинамическая температура воздуха перед ВНА может достигнуть отрицательных значений несмотря на то, что наружный воздух имеет положительные значения температуры. Так, например, в авиации наблюдались случаи обледенения ГТД при температуре окружающего воздуха 5 ч 10 °С [3].
Опыт эксплуатации стационарных ГТУ показал, что обледенение входной камеры и ВНА ОК наступало при наружной температуре * < ± 5 °С.
Понижение температуры в потоке происходит также и в результате политропного расширения воздуха, которое обуславливается наличием гидравлического сопротивления входного тракта, вызывающего увеличение разрежения по длине канала. В отдельных случаях необходимо учитывать, что на температуру поступающего в ВЗТ воздуха при определенных метеоусловиях (направление ветра, повышенная влажность) влияет подсос в ВЗТ отходящих газов и теплого воздуха от находящегося рядом оборудования ТЭЦ.
Кроме температуры, основным фактором, определяющим условия образования отложений льда, является относительная влажность воздуха ф, поступающего в ВЗТ ГТУ. Установлено, что в стационарных ГТУ при значениях ф > 80 % возможно образование капель жидкости, обусловленное гетерогенной конденсацией водяного пара на так называемых ядрах конденсации в условиях повышенной относительной влажности воздуха.
Ядрами конденсации являются мельчайшие аэрозольные частицы (твердые или жидкие), которые в зависимости от размеров принято разделять на три группы:
1 частицы с радиусом менее 0,1 мкм, на которых конденсируется водяной пар в условиях относительной влажности 100 % и более;
2 «большие» ядра (радиус от 0,1 до 1 мкм), служат наиболее активными центрами конденсации;
3 «гигантские» ядра (радиусом в несколько мкм и массой 10-11 г), редко встречающиеся в приземном слое атмосферы, но играющие заметную роль в физике облаков.
Конденсация на ядрах конденсации определяется аэрозольностью воздуха и зависит от месторасположения ГТУ, то есть природных условий местности, высоты над уровнем моря и метеорологических факторов.
Наравне с температурой и влажностью определяющим фактором процесса льдообразования является водность воздуха, которая характеризуется количеством воды в жидком и твердом состоянии (снег) на единицу объема. В зависимости от фазового состояния воды различают кристаллическую и капельную водность. Интенсивность льдообразования непосредственно связана с водностью воздуха, метастабильным состоянием жидкой фазы при отрицательных температурах.
Опасное обледенение элементов ВЗТ становится возможным в условиях повышенной водности окружающего воздуха, в основном в виде мокрого снега и выпадения дождя при температуре воздуха, близкой к 0 °С.
Усугубляется этот процесс на жалюзи, расположенных с наветренной стороны, при увеличении скорости ветра. Крупные частицы капельной влаги в жалюзийных просветах резко теряют скорость и, удерживаясь на рабочих кромках, скапливаются на них, замерзая и образуя при этом наросты, загромождающие проходное сечение.
Опасность перекрытия жалюзи (особенно при неправильной их установке) усугубляется тем, что это повышает входное сопротивление, ухудшая тем самым условия работы ОК, т.к. снижается расход воздуха и вырастает разрежение на входе в компрессор.
При определенном значении выросшего сопротивления могут открыться
байпасные клапаны, что вызывает попадание в проточную часть больших количеств переохлажденных капель или снега.
Характер и последствия льдообразования в инерционном жалюзийном сепараторе (ИЖС) аналогичны жалюзи ВЗТ. В то время, как свободный от льда ИЖС представляет собой рассредоточенное сопротивление, ИЖС с лопатками, покрытыми льдом, может исказить поле скоростей перед фильтрами тонкой очистки. При увеличении поверхности обледенения и возрастании, соответственно, коэффициента гидравлического сопротивления может образоваться «перевернутый» профиль скоростей [4], при котором в центральной части возникают обратные течения и основная масса воздуха устремляется к периферийным стенкам.
Фильтры тонкой очистки циклового воздуха в значительной степени подвержены обледенению, так как через них проходят массы воздуха с большей скоростью, чем через жалюзи, и происходит затем резкий останов при соприкосновении с фильтрующей тканью. Поскольку фильтры служат для эффективного задержания атмосферного аэрозоля, то на них оседают частицы широкого спектра по фракционному составу. Это является причиной того, что фильтры тонкой очистки подвергаются обледенению не только при большой водности атмосферного воздуха, но и в том случае, если в воздухе содержится мелкодисперсная взвесь (например, в виде тумана, мороси, снежной крупы). Различные типы применяемых в настоящее время фильтров имеют характерные для них особенности обледенения.
Для фильтрации циклового воздуха все шире стали применяться сухие фильтры из волокнистых и нетканых материалов. При низких температурах воздуха и повышенной влажности последнего опасной является конденсация влаги и последующее ее замерзание в слое фильтрующего материала. В отличие от процесса забивания фильтра твердыми аэрозольными частицами, замерзание жидкости в порах приводит к резкому ухудшению воздухопроницаемости фильтра и многократному увеличению его сопротивления, что лишний раз подтверждает необходимость установки предфильтра-влагоотделителя.
В процессе обледенения поверхность элементов системы шумоглушения покрывается ледяными отложениями, которые перекрывают проходное сечение. Отдельные куски отложений под действием динамических усилий и акустических эффектов могут оторваться и попасть в проточную часть компрессора, послужив причиной поломки лопаток.
Льдообразование в глушителе шума повышает гидравлическое сопротивление, искажает поле скоростей, ухудшает акустические характеристики, может способствовать отрыву элементов глушителей.
При значительном льдообразовании на стенках всасывающего трубопровода происходит уменьшение сечения последнего. При этом наиболее интенсивные отложения льда образуются в труднодоступной нижней горизонтальной части тракта. В результате обледенения увеличиваются окружная и радиальная неравномерности скоростного поля воздушного потока, что нежелательно, так как горизонтальный участок находится в непосредственной близости от входного патрубка компрессора.
Так, например, при эксплуатации ГТУ в северных районах страны в результате сепарации наружной влаги (мокрого снега и дождя) и конденсации паров уходящих газов, используемых для подогрева циклового воздуха, обнаружилось очень сильное обледенение в приземной части короба, что явилось причиной остановов ГТУ и удаления вручную больших масс льда. Следовательно, скапливание влаги на горизонтальном участке тракта опасно серьезными последствиями, так как возможны неконтролируемые периодические процессы замораживания и оттаивания, влияющие на эксплуатационную надежность ГТУ.
Образование льда на поверхностях входного патрубка и конфузора отрицательно влияет на равномерность поля скоростей перед ВНА компрессора, степень сжатия и вибрационно-прочностные характеристики лопаток ВНА и 1 ступени компрессора.
Искажение расчетной конфигурации канала ВЗТ также влияет на неравномерность распределения давления и скорости потока перед лопаточным аппаратом компрессора. Это, в свою очередь, может служить причиной изменения
аэродинамических характеристик и даже помпажа компрессора [5].
В результате интенсивного обледенения может произойти отрыв от поверхности стоек конфузора или патрубка кусков льда, увлекаемых потоком в проточную часть, при значительном перекрытии возникает помпаж компрессора или предпомпажные явления. В работе [6], по результатам опытов, утверждается, что причиной помпажа служит попадание в проточную часть ОК оторвавшихся больших кусков льда. Однако опытные данные, полученные в авиации и морском флоте, а также при эксплуатации ГТУ на станциях [7] дают основание считать, что помпаж может быть вызван также увеличением входного сопротивления и деформацией поля скоростей на всасе компрессора из-за наличия отложений льда. В целом, отрицательные последствия обледенения входного патрубка и конфузора ОК отражаются на таких основных показателях ГТУ, как эксплуатационная надежность, КПД и мощность.
По принципу действия средства защиты от обледенения согласно [1] можно разделить на 3 основные группы:
1) воздухозаборные устройства, конструкция которых уменьшает опасность обледенения за счет уменьшения количества осадков, попадающих во всасывающий трубопровод;
2) реализация подогрева атмосферного воздуха с целью исключения обледенения элементов всасывающего тракта;
3) внедрение подогрева элементов газотурбинных установок, подверженных оседанию влаги, до температуры выше 0 °С с целью предохранения их от образования льда.
Газотурбинные двигатели забирают воздух из атмосферы через отверстия в жалюзи. Скорость воздуха при входе в ВЗТ равна 3 ч 10 м/с.
Рассмотрев поведение мелких атмосферных осадков (300 > ц > 3 мкм) в виде тумана, изморози, моросящего дождя и крупных капель (г > 0,3 мм) вблизи входа в ВЗТ, а также воспользовавшись методикой определения скорости витания этих капель, изложенной в [1], можно сделать следующие выводы:
а) капли тумана размером г > 10 мкм имеют скорость витания на 2 порядка меньше, чем скорость воздуха на всасывании, и, следовательно, траектории их движения вблизи всасывающего отверстия будут мало отличаться от линий тока воздуха. Все капли этих размеров будут засасываться в воздуховод горизонтально, если ВЗТ выполнен без козырьков;
б) капли моросящего дождя размером 50 ч 100 мкм имеют скорость витания в несколько раз меньше скорости воздуха на всасывании, и траектории движения их могут существенно отличаться от линий тока. При вертикальном расположении отверстий всасывания большая часть капель будет засасываться;
в) крупные дождевые капли (г > 0,3 мм) движутся вниз со сравнительно большой скоростью и, попадая с высоты в зону действия всасывающего устройства, подвергаются сносу потоком всасываемого воздуха, движущегося в горизонтальном направлении в сторону заборного устройства. При этом часть капель, падающих перед заборным устройством вблизи среза, достигает жалюзи, ударяется о них, дробится и с довольно большой скоростью всасывается в ВЗТ. Частично влага оседает на жалюзи в виде пленки, которая затем срывается с их выходной кромки и также уносится воздухом в тракт.
На рис. 1 показано схематично заборное устройство, причем штрихами показаны траектории капель. На рис. 2 и 3 приведены значения коэффициента захвата воздухозаборными устройствами, имеющими высоту 3 и 6 м, в зависимости от размера капель и скорости всасывания. Приближенный расчет зоны захвата Ь и величина коэффициента захвата капель указаны в [1].
Рис. 1. Схема заборного устройства
Рис. 2. Сепарационная характеристика заборного устройства от скорости всасывания при размерах капель 0,5, 1 и 2 мм:--Н = 3 м;----- Н = 6 м
Рис. 3. Сепарационная характеристика заборного устройства от размера капель при скорости
всасывания 4,5 м/с: 1 - всасывание снизу вверх, 2 - Н = 3 м, 3 - Н = 6 м
Как видно из рис. 2, с уменьшением размера капель и увеличением скорости всасывания, а также высоты отверстия Н коэффициент захвата капель возрастает.
Осадки в виде снега, имеющего меньшую плотность, чем вода, и большую парусность, увлекаются всасываемым воздухом в несравненно большем количестве.
На рис. 3 показано, что всасывание снизу вверх имеет неоспоримые преимущества, особенно при осадках в виде дождя.
Дальнейшего значительного снижения засасываемых из атмосферы осадков добиваются, устанавливая по периферии всасывающего отверстия подвесные сетки для увеличения входной площади и соответственного уменьшения скорости воздуха (с уменьшением размеров ячеек по глубине сеток).
Осадки на них коагулируются и стекают вниз, т.к. гравитационные силы превалируют.
Следовательно, для уменьшения проникания частиц в ВЗТ необходимо устанавливать козырьки или навесы, обеспечивающие равномерный подвод воздуха с малой скоростью.
Другим важным конструктивным мероприятием, снижающим опасность обледенения компрессоров, является установка специальных влагоулавливающих устройств или использование инерционных пылеуловителей, которые также успешно улавливают и влагу. Они работают при малых входных скоростях и поэтому снижение температуры в них относительно температуры атмосферного воздуха незначительно (~ 0,25 °С).
Инерционные пылеуловители и влагоуловители работают эффективно, когда в воздухе находится капельная влага, а температура его выше 0,5 °С, а также хорошо улавливают сухой снег, что обычно бывает при температуре минус 12 ч 15 °С.
Предохранение от попадания кусков льда во всасывающий трубопровод осуществляется различного рода экранами или прочными решетками, устанавливаемыми перед ВЗТ. Однако следует иметь в виду, что при неудачной конструкции и плохом изготовлении (прежде всего при плохой чистоте обработки в экранах, большой скорости воздуха, выступающем крепеже) сами экраны могут стать источником образования наледи.
К вышеизложенному можно добавить, что при конструировании противообледенительной системы (ПОС) учитывается то, что основную опасность при температуре -8 ч -16 °С и относительной влажности 70 ч 100 % представляют капли взвешенной влаги крупнее 5 ч 10 мкм при содержании их в воздухе 0,5 ч 1,5 г/м3. Работы над ПОС стали развиваться после того, как было показано, что защита от обледенения компрессора становится эффективной только при наличии эффективного уловителя капельной влаги. При водности поступающего воздуха 0,5 ч 1,5 г/м3 (мокрый снег, снег с дождем, переохлажденный дождь) аварийное состояние может наступить через несколько минут и персонал вынужден будет срочно останавливать двигатель.
Улавливание влагоотделителями капельной влаги и мокрого снега увеличивает время обледенения элементов входного тракта до 10 ч 20 мин. За это время оперативные действия персонала или автоматики позволяют преодолеть тепловую инерцию ПОС, довести обогрев до необходимого уровня.
Анализ конструкций ПОС показал, что по способу подвода тепла их можно квалифицировать следующим образом:
4 системы локального обогрева, в которых подвод тепла осуществляется непосредственно к поверхностям деталей ГТУ, причем из них можно выделить подсистемы с внешним подводом тепла и внутренним нагревом деталей* для подвода тепла используется теплый воздух от компрессора или воздух из-под кожуха двигателя*
5 системы общего нагрева, в которых осуществляется нагрев всего циклового воздуха на входе в ГТУ за счет тепла отходящих газов (системы низкого давления) или горячего воздуха, отбираемого после компрессора (высокого давления).
В настоящее время локальные ПОС с подводом тепла к поверхности деталей широко распространены в авиации, а в некоторых отечественных стационарных ГТУ
используются только для защиты ВНА компрессора. Очевидно, что использование локальной ПОС для системы воздухоподготовки приводит к значительным усложнениям и резкому повышению стоимости последней.
Большое распространение в стационарных ГТУ получили ПОС общего нагрева, в которых поступающий воздух смешивается с отходящими газами или воздухом, отбираемым за компрессором.
Основные преимущества ПОС общего нагрева заключаются в возможности защиты от льдообразования всех элементов ВЗТ (включая жалюзи), воздуховода и компрессора, а также в эффективности теплообмена, вытекающей из самого процесса смешения. Последнее обеспечивает надежность работы ПОС при сравнительно простой и недорогой конструкции. Существенно и то, что работа таких систем не отражается на автономности ГТУ (относительно ПОС с электрообогревом).
Основной проблемой при разработке ПОС общего нагрева является выбор теплоносителя и места его отбора, так как это определяет методику расчета и конструирования ПОС, а также имеет принципиальное значение при рассмотрении технико-экономической эффективности [1, 8].
Системы, в которых для подогрева поступающего воздуха используются отработанные газы, условно относят к системам низкого давления, так как перемещение газов происходит под действием незначительного перепада давления между дымовой трубой и КВОУ. Положительные качества систем низкого давления сводятся к тому, что используется тепло высокотемпературных продуктов сгорания. Это повышает термодинамическую эффективность всей ГТУ и поэтому противообледенительная защита с применением отработанных газов является экономичной системой.
Отрицательными сторонами систем низкого давления следует считать:
6 наличие водяных паров в отходящих газах, что повышает влажность подогреваемого воздуха и вызывает необходимость увеличивать степень подогрева до температуры выше +5 °С (в противном случае возможно выпадение влаги и ее замерзание);
7 загрязнение лопаточного аппарата компрессора, особенно существенное при работе на газе с большим содержанием серы, а тем более на жидком топливе;
8 пониженную надежность - как следствие работы на незначительном перепаде давления, а также применения трубопроводной арматуры (задвижки, клапаны и т.д.) с большим проходным сечением;
9 повышенную металлоемкость - как результат применения труб подвода газов большого диаметра.
Система с использованием в качестве теплоносителя воздуха от компрессора (частично или полностью компримированного) относится к системам высокого давления. Достоинством данного способа подогрева являются:
10 подача греющего воздуха под давлением в несколько атмосфер;
11 более низкая металлоемкость по сравнению с системами низкого давления, что объясняется применением труб и арматуры гораздо меньших проходных сечений;
12 отсутствие загрязнения лопаточного аппарата, т.к. теплоносителем является чистый воздух.
В целом, преимуществом системы высокого давления является то, что она не увеличивает влажность на входе турбины, тогда как система низкого давления вносит в воздух влажные продукты сгорания, и для отсутствия вторичного обледенения требуется поддержание более высоких температур на входе. Система проще и позволяет использовать стандартные трубы и регулирующие клапаны, отличается большой надежностью, поскольку состоит из меньшего числа деталей и эксплуатируется при более низких температурах. Можно добавить, что она более совершенна (имеет лучшие характеристики), чем система низкого давления, т.е. она позволяет лучше использовать способность турбин работать при более низких температурах наружного воздуха.
Вместе с тем система высокого давления имеет и свои недостатки, вытекающие из самого факта отбора воздуха от компрессора, главными из которых являются:
13 количество отбираемого воздуха ограничено влиянием отбора на потерю мощности, снижение КПД компрессора и увеличение расхода топлива;
14 отбор воздуха между последними ступенями компрессора ведет к неодинаковости расхода по ступеням и служит одной из причин смещения рабочей линии к границе устойчивой работы компрессора.
Рассмотрение известных конструктивных решений систем защиты от обледенения стационарных ГТУ и опытных данных об эксплуатации таких систем и ГТУ в целом показало отсутствие научно-технического обоснования по выбору оптимального варианта конструкции ПОС при соблюдении условия сочетания ее с другими системами воздухоподготовки (пылеочистка, шумоглушение).
Так, например, не отрабатывается аэродинамика элементов ПОС, находящихся в потоке. Механический перенос теоретических и практических результатов от авиации и импортных ГТУ не всегда правомерен в силу конструктивных различий и условий применения. Кроме того, общим недостатком подавляющего большинства ПОС является неудовлетворительная работа (либо отсутствие) индикатора обледенения, обеспечивающего рациональный диапазон времени работы ПОС. Из-за отсутствия индикатора, связанного с автоматикой включения (отключения), не обеспечивается надежность и экономичность работы ПОС и ухудшаются параметры всего агрегата.
На основании изложенного, при решении вопросов проектирования и расчета ПОС общего нагрева целесообразно исходить из следующего:
15 система должна обеспечивать высокое качество смешения теплоносителя и циклового воздуха во избежание переноса неравномерности по температуре и скорости воздуха перед входом в ОК;
16 аэродинамика элементов и узлов ПОС должна создавать незначительное гидравлическое сопротивление, с тем чтобы общее гидравлическое сопротивление ВЗТ находилось в пределах, указанных в ТЗ и ТУ на его поставку;
17 конструкция ПОС должна быть технологична в изготовлении и монтаже.
Summary
Reasons and conditions of ice forming on the elements of GTP air-intake path and methods of fighting against icing were demonstrated. Advantages and disadvantages of different anti-icing systems were considered.
Key words: gas turbine plant, air-intake path, icing, anti-icing system
Литература
1. Кузнецов А. Л., Кузнецов Л. А. Борьба с обледенением стационарных газотурбинных установок. Л.: Недра, 1980.
2. Киндл Ф.Х. Эксплуатация газовых турбин в арктических условиях. GF, 1972, GSOA - 6 - 72.
3. Мещерякова Т.П. Проектирование системы защиты самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение, 1977.
4. Михайлов Е.И. Воздушные фильтры для газотурбинных установок в СССР и за рубежом. М.: НИИинформтяжмаш, 1970.
5. Влияние обледенения на динамическую надежность лопаточного аппарата осевого компрессора ГТК-10 // Отчет ЦКТИ № 046/0-8144. Л., 1974.
6. Михалев В.П., Зайцев Ю.А. Возникновение помпажа осевых компрессоров газотурбинных установок в условиях обледенения // Газовая промышленность. 1966. №9.
7. Усовершенствование КВОУ газовых турбин с целью снижения веса, сопротивления, шума, обледенения // Отчет ЦКТИ, Е.И. Михайлов. Л., 1982.
8. Горячев В.Д., Фомичев А.В., Михайлов Е.И. Моделирование процесса смещения в блоке подогрева воздухоочистительного устройства ГТУ. Гидравлика русловых потоков // Сб. науч. трудов. Калининский государственный университет. 1986.
Поступила в редакцию
21 августа 2009 г.
Михайлов Владимир Евгеньевич - канд. техн. наук, генеральный директор ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования имени И.И. Ползунова», г. Санкт-Петербург. Тел. 8 (812) 310-59-33; 8 (812)-578-87-13. E-mail: [email protected].
