Создание высокоэффективных воздухозаборных трактов для энергетических газотурбинных и парогазовых установок

Перспективное направление развития энергетики связано с использованием в качестве привода генераторов тепловых электростанций газотурбинных и парогазовых установок [1].

Существенное влияние на работу ГТД оказывают климатические условия и качество циклового воздуха.

Цикловой воздух, поступающий в компрессоры ГТУ, содержит большое количество взвешенных в воздухе частиц с различными физико-химическими свойствами. Компрессор и газовая турбина по своей природе очень чувствительны к воздействию загрязняющих примесей, так как включают элементы, работающие в условиях высоких скоростей и давлений.

Условно территория России и СНГ, где могут быть установлены энергетические установки, делится на 5 зон (рис. 1), причем II, III и IV зоны — это зоны повышенной запыленности атмосферы.

В таблице 1 представлены регионы и энергетические объекты Российской Федерации, с установленными на них ПТУ, на которых осуществлен мониторинг атмосферной пыли с последующей оценкой среднегодовой концентрации по спектральным составляющим.

Концентрация составляющих атмосферной пыли приведены в таблице 2, из которой видно, что наибольшую концентрацию имеют окислы железа и кремния, пылевые частицы которых обладают значительными абразивными качествами.

Согласно исследованиям ресурс лопаточного аппарата ГТУ, расположенных в этих зонах, без использования надежных и эффективных обеспыливающих устройств, значительно ниже расчетного [2].

ГТУ требует большого расхода воздуха и в то же время она чрезвычайно чувствительна к потерям давления во входном и выхлопном трактах.

Известно, что потери давления во входном тракте 1000 Па (100 мм вод. ст.) снижают до 2% мощность ГТУ [3].

Таблица 1.

Регионы и энергетические объекты с ПГУ (мониторинг состава атмосферной пыли).

1975 г. Магнитогорск, № 232, 594 (из атмосферы).

1979 г. 1980 г. Краснодарская ТЭЦ, № 17, 18 (ГТ-100).

1984 г. Криворожсталь, № 672 (улов пыли в бункере под циклоном ВОУ при естественном запылении).

1985 г. ТЭЦ-1, № 362 (пыль с лопаток ИЖСП).

1985 г. ГРЭС-3, № 363 (с фильтров ГТ-100).

1985 г. Новопсков, № 361 (с фильтра типа «В»).

1986 г. Симферопольская ТЭЦ, № 802, 803, 804 (ф.1- 2- за ф. II яр.).

1986 г. 3-д «Камаз», № 805, 806 (вход в торцевую диафрагмус ФС ВУ).

1986 г. Череповец, № 931, 932.

1986 г. Липецк, № 933, 934.

1987 г. 3-д Петровский, № 339.

1987 г. Тулачермет, № 340.

1987 г. Электрогорск, № 341.

1987 г. Туркмения, г. Мары № 490.

1988 г. г. Яготин, № 38.

1988 г. Ивановская ГРЭС, № 39.

2006 г. Калининградская ТЭЦ, № 9 (КВОУ).

1989 г. Новокузнецк, № 653 (пыль с каркаса висциновых фильтров).

1989 г. Новокузнецк, № 654 (пыль на крыше ВЗК у воздухозаборной трубы).

1989 г. Молдавская ГРЭС, № 655 (пыль с фильтров КВОУ-ткань ФРИК-ПГ, ярус 1).

1989 г. Молдавская ГРЭС, № 655 (пыль с фильтров КВОУткань ФРИК-ПГ, ярус 2).

1991 г. Новотульский металлургический комбинат, № 132 (из бункера циклона КВОУ К-3750).

Таблица 2.

Состав атмосферной пыли на объектах РФ (объемное содержание, а %).

Хим. состав пыли Магнитогорск Криворожск Завод Петровский Тулачер-мет Череповец Липецк Новокузнецк Новотульский мет. комбинат.

1975 г. 1984 г. 1985 г. 1987 г. 1986 г. 1986 г. 1989 г. 1991 г.

232 594 672 362 363 339 340 931 932 933 934 653 654 132.

8Ю2 12,0 17,2 14,4 7,7 27,2 7,7 16,4 14,8 12,2 17,7 19,6 14,1 7,8 7,4.

Ре203 62,5 42,2 56,2 51,2 41,1 75,8 63,7 15,3 54,9 36,6 20,9 47,8 29,6 63,6.

А1203 4,3 6,4 1,3 2,9 8,8 2,4 Сл. 3,6 2,4 2,4 3,6 2,0 2,5 Сл.

СаО 11,0 22,5 11,5 19,5 9,5 10,6 12,0 19,7 8,8 9,4 13,5 6,6 6,2 12,6.

МёО 1,2 1,4 1,8 2,7 2,5 Сл. Сл. 2,9 2,7 1,8 1,9 3,3 4,2 1,5.

СиО Сл. Сл. Сл. — - Сл Сл. Сл. Сл. Сл. Сл. — ;

Иа20 0,4 — 0,5 0,8 1,2 0,4 0,4 0,6 0,3 0,6 0,8 0,5 0,3 Сл.

К20 0,4 — 0,4 0,8 1,4 0,2 0,3 0,6 0,3 0,8 1,0 0,5 0,2 0,3.

БОз Сл. 1,3 1,8 14,4 8,7 2.1 2,5 5,7 2,1 6,8 5,7 2,4 0,6 со2 — 4,2 — - - - 11,0 3,6 3,4 5,9 1,1 0,7 w 0,4 1,4 — - - - 2,8 0,3 2,4 2,9 2,6 2,9 1,1.

ППП 9,9 10,0 — - - - 23,1 11,4 18,4 23,7 23,0 50,0 10,3 с 4,6 н 0,4 р205 3,1.

ППП — потери при прокаливании включают в себя органику и продукты разложения минеральных соединений.

Хим. состав пыли Ново-псков Туркмения Мары Электро-горск Краснодарская ТЭЦ ГТ-100 г. Яготин Ивановская ГРЭС Симферопольская ТЭЦ «Камаз» г. Брежнев Калининградская ТЭЦ Молдавская ГРЭС.

1985 г. 1987 г. 1987 г 1979г 1980 г. 1988 г 1988 г. 1986 г. 1986 г. 2006 г. 1989 г.

361 490 341 17 18 38 39 802 803 805 806 9 655 656.

8Ю2 60,6 54,3 50,7 48,2 46,0 42,0 24,0 25,0 22,6 25,8 39,0 36,8 34,1 38,1.

Ре203 12,2 8,2 11,9 6,8 6,0 6,8 6,9 6Д 10,1 10,6 14,6 21,3 21,7 15,5.

А1203 14,7 13,7 15,5 10,6 10,3 9,7 6,1 6,9 5,2 5,7 8,1 5,6 8,4 9,2.

СаО 3,8 12,1 9,7 4,7 6,5 4,2 15,2 21,9 13,3 4,3 5,9 8,2 5,0 5,5.

1⁰ 1,6 4,5 2,9 4,7 6,5 2,9 2,4 2,0 1,8 2.4 2,0 8,2 6,5 1,7.

СиО Сл. — Сл. — - - - - - - - - ;

N320 1,3 1,3 0,8 1,2 1,4 0,8 1,1 1,1 2,4 0,8 1,1 1,1 0,9 1,0.

К20 2,6 1,8 1,5 1,1 1,4 1,8 1,2 0,8 0,6 0,8 0,6 0,8 2,0 2,1.

Б03 2,5 1,3 4,2 1,2 3,3 3,7 13,9 4,2 2,8 5,1 5,7 2,2 3,4 3,0.

С02 — - - - - - 12,0 7,2 1,4 1,8 Отс. 1,0 0,9.

W — - - - - 1,9 2,4 2,9 3,5 3,3 3,2 1,7 2,4 2,6 ппп — - - 24,8 25,0 28,4 27,5 31,4 41,1 44,5 22,8 22,2 19,7 21,0 с 13,5 н 2,2.

О — чистого воздуха (0,1 мг/м3) — 1 — слабой запыленности (0,5 мг/м3);

2 — повышенной запыленности (0,7 5 мг/м3) — 3 — высокой запыленности (1,2 мг/м3);

4 — интенсивной запыленности (2,2 мг/м3).

Рис. 1 Зоны атмосферной запыленности воздуха (по средней концентрации):

Важным фактором, влияющим на характеристики ГТУ, является изменение температуры атмосферного воздуха, которая может изменяться в широком диапазоне, достигающим 60 °C.

При уменьшении температуры воздуха на 10 °C, при прочих равных условиях, мощность установки увеличивается на 9% (относительных). Снижение мощности ГТУ при повышении температуры является их серьезным недостатком (до 30% при I = 40 °С).

Результаты расчетов и специальных контрольных испытаний ряда ГТУ показали, что существуют продолжительные периоды, в течение которых из-за атмосферных факторов (температура, влажность) имеют место недовыработка мощности до 25% и более, вследствие существенного снижения их термодинамической эффективности, а также реальная опасность обледенения элементов входного тракта и, соответственно, ухудшение работы агрегата вплоть до возникновения аварийной ситуации [2, 3, 4].

Время обеспечения номинальной мощности ГТУ не превышает 50.60% для районов Средней Азии, Закавказья и Северного Кавказа, 70.80% для районов черноземной и нечерноземной средней полосы, 85.90% для северных и некоторых приморских районов.

Анализ эксплуатационных показателей отечественных и зарубежных ГТУ показывает значительное снижение технико-экономических показателей из-за загрязнения, эрозийного износа и коррозии проточной части. Снижение мощности и эффективности ГТУ обусловлено в основном ухудшением показателей работы компрессора [5, 6, 7].

Аэрозоли, присутствующие в цикловом воздухе, представляют собой полидисперсные системы с газообразной, твердой и жидкой фазами [8]. Для пыли одной из основных физических характеристик является гранулометрический состав или распределение частиц по размерам.

Важными характеристиками дисперсного материала являются также форма частиц и состояние их поверхности.

При анализе отобранной пыли можно определить следующие физико-химические характеристики атмосферной пыли, которые необходимо знать для решения проблем очистки:

— плотность диспергированного вещества и осажденных слоев пыли;

— влажность и гигроскопичность;

— химический состав, абразивность;

— адгезионные свойства, слипаемость, способность коагулировать, электропроводность;

— взрывоопасность и склонность к самовозгоранию.

Различные включения в цикловой воздух по-разному воздействуют на элементы газовоздушного тракта ГТУ. Одни включения приводят к абразивному износу и коррозии оборудования. Это снижает его механические и аэродинамические характеристики, а следовательно, надежность и долговечность, другие — к образованию отложений на лопатках, снижающих мощность и экономичность оборудования.

В диссертационной работе рассматриваются в основном действующие на энергетическое оборудование внешние пылевые включения, которые по характеру воздействия на проточную часть ГТУ можно условно разделить на четыре группы: эрозионно-опасные, коррозионно-опасные, налето-опасные и термо-опасные.

К эрозионно-опасным включениям относятся твердые частицы пыли с их диаметром более 15 мкм. Они опасны для осевых компрессоров ГТУ. Особенно интенсивный износ вызывают твердые кристаллические частицы минералов двуокиси кремния, силикатов, аммоносиликатов [7, 9, 10, 11].

К коррозионно-опасным включениям, вызывающим коррозию проточной части ГТУ, относятся химически агрессивные компоненты внешней среды, продукты сгорания некоторых топлив [12, 13, 14].

К налето-опасным включениям относятся мелкая атмосферная и промышленная пыль, соль испаряющейся воды, а также атмосферные осадки и капли, приводящие к обмерзанию воздухоприемного устройства и проточной части ГТУ [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23].

К термоопасным включениям относятся как внутренние (масла, несгоревшие частицы топлива и масла из фильтров и подшипников), так и внешние органо-минеральные соединения, выветриваемые из почвы, которые при значительной концентрации в период повышенной запыленности могут сгорать в проточной части турбины [24].

Присутствие в цикловом воздухе абразивной пыли вызывает усиленную эрозию проточной части компрессора. Так как ГТУ расходуют в 4.6 раз больше воздуха, чем другие тепловые двигатели равной мощности, а также имеют элементы, работающие в условиях их обтекания потоком рабочего тела с большими скоростями, они наиболее чувствительны к воздействию даже незначительных количеств вышеуказанных включений. Практика эксплуатации стационарных ГТУ в условиях сильной запыленности показала, что абразивный износ компрессоров не вызывает до некоторых пор значительного снижения мощности, но уменьшает надежность и долговечность установки, а также время безотказной работы. Повышенная концентрация абразивных включений быстро приводит к аварийным ситуациям [11, 13, 14].

Коррозия деталей компрессора может быть вызвана (при отсутствии специальных антикоррозионных покрытий) увлажненными отложениями морских солей и других коррозионно-активных веществ, попадающих в компрессор с воздухом, для транспортных морских и энергетических ГТУ, установленных вблизи моря [25].

К основным источникам загрязнения атмосферы относятся предприятия металлургической, энергетической и химической промышленности. Агрессивные вещества попадают в компрессор также вместе с пылью.

Коррозия компрессора проявляется в повреждении поверхности дисков компрессора и в язвенной коррозии лопаток. Язвы могут служить концентраторами напряжения, приводя к снижению усталостной прочности лопаток. Усложнение и возникновение новых технологических процессов изготовления деталей ГТУ привели к появлению новых коррозионно-активных веществ, среди которых новые газообразные соединения, аэрозоли тяжелых и редких металлов, новые синтетические соединения и т. д. [26, 27].

К наиболее важным и серьезным проблемам, связанным с недостаточной фильтрацией воздуха, относится высокотемпературная сульфидно-оксидная коррозия лопаток турбин ГТУ. Сульфидно-оксидная коррозия лопаток газовых турбин и, прежде всего их 1-й ступени, стала отчетливо проявляться и активно влиять на работоспособность турбоагрегатов с середины 60-х годов. Вызвано это рядом факторов, среди которых главными являются: расширение сфер применения газовых турбин, использование в них низкосортных видов топлива, повышение начальной температуры газов и увеличение ресурса лопаток [28].

Жидкое топливо является основным источником серы и щелочных металлов — главных коррозионных агентов, попадающих с газовым потоком в турбину. К числу других примесей жидкого топлива, способствующих интенсивной коррозии лопаток относятся соединения ванадия, хлора, свинца и углерода. Природный газ, используемый как топливо в газовых турбинах, может содержать серу в виде сероводорода и меркаптановых соединений в довольно больших количествах. Например, объемное содержание сероводорода в природном газе оренбургского месторождения 1,5.4,5% [29]. Природный газ может быть загрязнен также газовым конденсатом, в состав которого входят соединения серы и щелочных металлов.

Соединения, вызывающие сульфидно-оксидную коррозию или способствующие ее развитию, могут попадать в проточную часть турбины не только как продукты сгорания топлива, но и вместе с воздухом, поступающим в воздухозаборные тракты, а затем в компрессоры и далее в камеру сгорания и турбину. Одним из наиболее агрессивных соединений, попадающих с воздухом в проточную часть ГТУ, является хлорид натрия (при эксплуатации в приморских районах). Коррозионно-агрессивные примеси, содержащие сульфат и хлорид натрия, могут попадать в проточную часть ГТУ вместе с воздухом в виде пыли, особенно, если ГТУ эксплуатируется в районах с засоленной почвой (солончаковые пустыни и полупустыни). Усиление коррозии лопаток турбин [30] наблюдается также, если рядом с ГТУ расположены предприятия с интенсивными выбросами в атмосферу, скопления минеральных удобрений, магистрали с автомобильным движением и т. д.

Наиболее важным явлением при недостаточной фильтрации воздуха является попадание в ГТУ веществ, которые, соединяясь с серой или (и) кислородом в процессе горения, образуют отложения на элементах газового тракта: камерах сгорания, переходных патрубках, лопатках турбины. К таким веществам относятся, прежде всего, соединения натрия, калия, ванадия, хлора и свинца. Эти соединения разрушают защитный слой на металлических деталях газового тракта ГТУ, что приводит к резкому увеличению их скорости коррозии. Исследования показали, что содержание в воздухе натрия, калия, ванадия и свинца колеблется от 0,3 до 0,001% (по массе). Частицы пыли, содержащие коррозионно-активные металлы, обычно лежат в диапазоне малых размеров, причем удельная их концентрация увеличивается с уменьшением размеров частиц [26]. Анализы, проведенные на летучей золе при помощи масс-спектрометрии, показали, что на поверхности частиц золы массовые концентрации натрия достигают 19,7 мг/г, серы — 7,1 мг/г, свинца — 620 мг/г, хрома-380 мг/г [28, 31,32, 33].

Одним из главных факторов, влияющих на занос проточной части, является скорость взвешенных в потоке частиц. С увеличением скорости потока количество частиц, оседающих на поверхности, пропорционально скорости в первой степени, тогда как эродирующее действие частиц пропорционально примерно кубу скорости.

Большое влияние на величину отложений имеет и размер частиц. Исследования показывают, что осаждаются преимущественно мелкие частицы, но в определенном диапазоне их размеров. Определяющим фактором образования отложений в компрессоре является столкновение аэрозольной частицы с лопаткой [15, 34].

Образование отложений на поверхностях лопаток объясняется действием турбулентной диффузии с одновременной коагуляцией частиц. Отмечается, что в межлопаточном канале происходит интенсивная коагуляция мелких частиц в зонах, турбулизованных лопаткой (выпуклой поверхностью лопатки у входной кромки). В местах срыва потока, где возникают вихри, мелкие частицы попадают на поверхность и образуют отложения (крупные частицы вследствие инерции при резких поворотах линий тока не следуют за ними).

Кроме того, мелкие частицы более подвержены воздействию электрических и магнитных полей, взаимодействию молекулярных сил и силам термофореза [16, 17].

Отложения могут быть как плотные, так и рыхлые. Плотные налеты образуются при спекании частиц. Налет имеет обычно красно-коричневый или темно-коричневый цвет. Рыхлые сыпучие отложения представляют собой тонкодисперсную (менее 5 мкм) пыль характерного оранжево-коричневого цвета.

Интенсивность и величина отложений зависит от наличия жидкой фазы на частицах пыли. Наличие влаги обусловлено тем, что по мере прохождения воздушным потоком воздухозаборного тракта (ВЗТ), включающего КВОУ, глушитель, воздуховод и входного патрубка компрессора перед ВНА разрежение достигает 2000.5000 Н/м, что приводит к увеличению влажности воздуха.

Частицы, содержащие жидкую фазу, после столкновения с лопаткой прилипают к ее поверхности и теряют влагу. Отложения увеличиваются при наличии в атмосфере дымовых газов, содержащих смолы, а также при попадании в проточную часть компрессора ГТД капельного масла через неплотности опорных подшипников. Загрязнение лопаток компрессора обычно вызывается липким материалом, таким как промышленная пыль и сажа, либо прилипанием материала вследствие наличия на лопатках пленочной адгезии. Отдельные частицы вещества, которые обычно вызывают загрязнение компрессора, имеют средний диаметр приблизительно 0,6 мкм.

Для реализации мероприятий по защите элементов проточной части ГТУ от воздействия внешних инородных включений необходимо иметь статистические данные по начальной и остаточной запыленностям воздуха. Защита энергооборудования должна базироваться на обоснованных значениях допускаемой остаточной запыленности воздуха.

Рекомендуемые в [35] значения остаточной среднегодовой запыленности о составляют не более 0,3 мг/м, в том числе с концентрацией пыли с размером частиц более 20 мкм — не выше 0,03 мг/м .

В общем случае, остаточная запыленность циклового воздуха должна быть такой, чтобы при длительной работе оборудования обеспечить расчетную мощность, КПД и надежность работы установки при допускаемом (оптимальном) гидравлическом сопротивлении во входном тракте [36, 37, 38, 39, 40,41,].

Весьма важным фактором, оказывающим существенное влияние на выбор места забора воздуха, является распределение пыли по высоте. Из анализа приведённых на рис. 2 кривых следует, что установка воздухозабора газотурбинного двигателя ниже 10.12м нецелесообразна из-за резкого увеличения концентрации пыли в воздухе.

1- теоретическая кривая для типичных песчаных пустынь;

2- теоретическая кривая для галечниково-щебнистых пустынь;

3- теоретическая кривая для солончаково-такыровых пустынь;

4- теоретическая кривая для зоны оазисов и долин рек;

5- теоретическая кривая для зоны степей и лесостепей;

6- теоретическая кривая для зоны лесотундры.

Рис. 2 Распределение пыли по высоте Обледенение на входе в ГТУ имеет место при определенных температурах (от + 8 до — 16 °С) и относительной влажности (от 70 до 100%) воздуха на входе, водности (или массы капельной влаги в единице объема воздуха) и дисперсности этих капель. Совокупность указанных условий следует рассматривать как вероятностную характеристику опасности обледенения. Если каждый из параметров находится в диапазоне указанных опасных для надежности работы ГТУ значений, то вероятность обледенения элементов ВЗТ или ВНА компрессора близка к 100%. Но эта опасность существует, если даже один из них или два выходят из заданных интервалов.

Из термодинамических параметров состояния температура является одним из решающих факторов обледенения, так как определяет степень вероятности возникновения льда и по литературным данным, при прочих равных условиях — структуру отложений и силу сцепления с поверхностью. Практический и теоретический интерес представляет интервал значений температур, при котором возможно обледенение.

Установлено, что в стационарных ГТУ при значениях относительной влажности ф > 80% возможно образование капель жидкости, обусловленное гетерогенной конденсацией водяного пара на так называемых ядрах конденсации в условиях повышенной относительной влажности воздуха.

Конденсация на ядрах конденсации определяется аэрозольностью воздуха и зависит от мест расположения ГТУ, то есть природных условий местности, высоты над уровнем моря и метеорологических факторов.

Наравне с температурой и влажностью важным фактором процесса льдообразования является водность воздуха, которая характеризуется количеством воды в жидком или твердом состоянии (снег) на единицу объема. В зависимости от фазового состояния воды различают кристаллическую и капельную водность.

Качественная картина отложений льда на элементах ВЗК, на поверхностях лопаток ВНА, первых ступенях компрессора, а также последствия этого явления описаны в работах [42, 43, 44, 45, 66, 85, 95].

Увеличение мощности и производительности ГТУ осуществляется в настоящее время в основном за счет роста рабочих параметров и увеличения динамических нагрузок на элементы газовоздушного тракта, что вызывает значительное звукоизлучение в широком диапазоне частот [46, 47, 48, 49].

Газотурбинные установки являются одними из самых мощных источников шума. В свою очередь в ГТУ интенсивным источником шума является ВЗТ (шум излучается в окружающую среду), а также корпусные элементы, включая камеру сгорания (шум излучается в машинный зал) [50, 51].

Источником шума ГТУ является также компрессор, создающий интенсивный аэродинамический шум, который распространяется по тракту всасывания через КВОУ в атмосферу. Уровни звукового давления при незащищенном всасывании осевых компрессоров мощных ГТУ нередко превышают 140 дБ в области высоких частот, что находится выше порога болевых ощущений для человеческого уха, поэтому работа таких ГТУ без применения эффективных средств снижения шума практически невозможна.

Анализ работы КВОУ и акустических характеристик компрессорного оборудования показывает целесообразность проведения работ и внедрения мероприятий по повышению устойчивости проточной части компрессоров ГТУ к воздействию атмосферных факторов и снижению шума в них. К этим мероприятиям относятся: отработка специальных аэродинамических форм лопаток, упрочнение их поверхностей, замена материала (на первых двух ступенях) для снижения шума, применение поворотных лопаток, очистка проточной части компрессора ГТУ моющими средствами и т. д. [52].

Следовательно, воздухоподготовка как внешний метод защиты от воздействия атмосферных факторов должна сочетаться с внутренними методами защиты. Соответственно, борьба с шумом оборудования путем установки глушителей, кожухов, вибродемпфирующих покрытий (пассивный способ) должна сочетаться с мероприятиями по уменьшению шума в источнике, т. е. изменением (увеличением) аксиальных и радиальных зазоров в проточной части, изменением соотношения числа лопаток в направляющих и рабочих ступенях, заменой материалов лопаток компрессора и др. (активный способ).

Для качественной подготовки воздуха должны учитываться как конструктивные особенности агрегата (схема ГТУ, использование сверхзвуковых ступеней с титановыми сплавами и др.), так и среднегодовые параметры, характеризующие воздушную среду и условия, которые зависят от района и места расположения установок, а именно: температура наружного воздуха, относительная влажность, среднегодовая и максимально возможная концентрации пыли, ее физико-химические свойства (фракционный и минералогический составы), возможность возникновения снежных заносов, обледенения, хладоломкости и др.

Рассмотренный комплекс проблем, связанных с влиянием эксплуатационных факторов на работу энергетических ГТУ и ПГУ, определяющих их надежность и экономичность, а также отсутствие в практике проектирования ВЗТ обобщенных методов их многофакторного учета свидетельствуют об актуальности выбранной темы исследования.

Целью диссертационной работы является: создание новых и совершенствование существующих методов, методик расчета и средств подготовки циклового воздуха и шумозащитных конструкций воздухозаборных трактов стационарных энергетических газотурбинных установок и ПГУ большой мощности.

В комплекс исследований для достижения поставленной цели входит:

— анализ и систематизация существующих методов подготовки циклового воздуха и шумоглушения;

— обобщение отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации воздухоочистительных и шумозащитных конструкций;

— создание стендов и экспериментальных моделей для аэродинамической отработки блоков ВЗТ и исследования фильтрующих элементов соответствующих для определенных климатических и территориальных условий;

— 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 методик расчета;

— сопоставление расчетных исследований с исследованиями на моделях и промышленными испытаниями;

— создание на этой основе образцов ВЗТ с промышленной апробацией и доводкой на электростанциях, позволяющих обеспечить надежную, экономичную и длительную эксплуатацию ГТУ и 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 газотурбинных установок 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 и ПГУ, отвечающих требованиям нормативной документации и техническим условиям на поставку основного оборудования, и технико-экономическим обоснованием.

Представленная диссертационная работа обобщает многолетний опыт работы автора в области разработки, исследования и внедрения ВЗТ ГТУ и ПГУ. В рамках диссертации на защиту выносится: • 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 эксплуатации, 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 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.

Использование указанных результатов позволяет предложить технические требования к элементам ВЗТ энергетических ГТУ, концепцию создания, тип основных элементов, их конструктивный профиль, которые могут быть использованы при создании ВЗТ современных и перспективных энергетических ГТУ мощных ПТУ. При этом обеспечивается высокая эффективность, надежность и экологическая безопасность ГТУ с учетом места установки, климатических условий и режимов эксплуатации, физико-химических свойств и концентрации пыли.

Система охлаждения циклового воздуха способствует повышению эффективности ГТУ при ее работе в условиях высоких температур воздуха, а противообледенительная система — повышению надежности.

Приоритетная конструкция нового модуля ВЗТ, позволяющая реализовать в одном устройстве подогрев воздуха, его очистку и влагоудаление способствует оптимизации конструкции ВЗТ и снижает его металлоемкость. Диссертационная работа выполнялась в ОАО «НПО ЦКТИ».

8. Основные результаты и выводы по работе.

1. Выполнен комплекс НИР с целью создания новых и совершенствования существующих методов, методик расчета и проектирования высокоэффективных воздухозаборных трактов газотурбинных и парогазовых установок, что позволяет заместить поставки по импорту оборудования данного типа. На основе результатов НИР создано новое поколение отечественного оборудования для высокоэффективных ВЗТ ПГУ в диапазоне мощностей 20. 110 МВт.

2. Выполнен комплекс расчетных и экспериментальных исследований энергетических процессов, имеющих место при движении воздуха в элементах воздухозаборного тракта ГТУ ТЭЦ, с получением обобщенных зависимостей и критериев эффективности, учитывающих эксплуатационные факторы, конструктивные особенности ВЗТ, технические характеристики фильтрующих элементов, режимы работы энергетической установки.

3. Разработана концепция и структурная функциональная схема ВЗТ на основе комплексных экспериментальных исследований с учетом региональных особенностей места установки ГТУ, концентрации и минералогического состава пыли, процентного содержания в пыли химически активных веществ.

4. Создан метод проектирования ВЗТ, на основе решения комплексной оптимизационной задачи минимизации (до 1000 Па) уровня потерь давления, обеспечения требуемого уровня очистки воздуха, оптимальных акустических характеристик и характеристик надежности.

5. Получены результаты исследования фильтрующих свойств и аэродинамических потерь на фильтрующих блоках, позволившие разработать методы создания высокоэффективных фильтрующих блоков для ВЗТ мощных ГТ и ПГУ с межремонтным периодом 16 000 час.

6. Впервые получены результаты исследования влияния содержания в воздухе паров жидкости типа антилед на работу фильтрующих элементов в зимний период времени и предложены решения, позволившие обеспечить надежную работу ВЗТ для указанных условий. Получены результаты стендовых и натурных аэродинамических исследований, позволяющие обеспечить аэродинамическую оптимизацию всего ВЗТ с получением потерь давления на входе в газотурбинный двигатель менее 1000 Па.

7. Разработана теоретическая концепция снижения уровня шума в ВЗТ, методика оценки акустического состояния системы, технология проектирования элементов акустической защиты, позволяющая повысить экологическую безопасность ГТУ и ПГУ в целом. Предложены конструкции элементов акустической защиты для проектируемых ПГУ, обеспечивающих уровень шума < 80 дБА.

8. Впервые разработаны методики проектирования и изготовления конструкций, позволяющих исключить обледенение при температуре атмосферного воздуха + 8. 16 °C как фильтрующих элементов, так и лопаток входного направляющего аппарата компрессора ГТУ для противообледенительных систем высокого и низкого давления.

9. Получены результаты исследований и разработаны основные конструктивные элементы устройств для распыления до 20 мкм влаги в ВЗТ с целью получения дополнительной мощности ГТ при повышенной температуре атмосферного воздуха.

10. Разработаны принципы создания модульных конструкций ВЗТ, обеспечивающих повышенную ремонтопригодность и сокращение сроков монтажа на площадке.

11. Разработаны и внедрены технические требования к ВЗТ и его элементам для энергетических ГТУ и ПГУ.

12. Результаты исследований были успешно внедрены при создании и освоении в эксплуатации ВЗТ ПГУ МЭС-60 на ТЭЦ-28 Мосэнерго, ГТЭ-110 на Ивановских ПГУ 1-й и 2-й очереди, ГРЭС-24, ГТУ-20С на ТЭЦ в Нигерии, ГТД Д-30 на «ПГЗ-СУАЛ», ГТЭ-65 на ТЭЦ-9 Мосэнерго.