расчет тепловой установки ГТУ. курсовая. Схемы, циклы и основные техникоэкономические характеристики приводных и энергетических гту
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
,
- относительные расходы соответственно газа, пара, охлаждающего воздуха;
;
;
-удельная изоинтропийная работа соответственно турбины по газу и пару и компрессора;
; относительное значение пара, вводимого в КС α =
; степени регенерации μ =0,8; коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха μв=0,4; относительный расход воздуха на охлаждение
; относительное время работы с теплофикацией в год ε = 0,58; температура газов, покидающих утилизационный теплообменник Тух=393К (120˚С). Результаты расчета представлены в табл.5| № п/п | Вариант тепловой схемы | Эффективный КПД установки ηе | Коэффициент полезной работы | Относительная стоимость установки |
| 1. | Простейшая ГТУ | 0,33 | 0,4 | 1 |
| 2. | Регенеративная ГТУ | 0,43 | 0,4 | 1,75 |
| 3. | ГТУ с теплофикацией при ε = 0,58 | 0,64 | 0,4 | 1,5 |
| 4. | Бинарная ПГУ | 0,43 | 0,4 | 2,5 |
| 5. | Контактная (форсированная) ГТУ (простейшая монарная) | 0,44 | 0,51 | 1,45 |
| 6. | Монарная с регенерацией | 0,53 | 0,51 | 2 |
| 7. | Монарная с теплофикацией при ε = 0,58 | 0,71 | 0,51 | 2 |
| 8. | Монарная с регенерацией и теплофикацией при ε = 0,58 | 0,81 | 0,51 | 2,3 |
| 9. | «Водолей», Украина | 0,43 | 0,51 | 2 |
| 10. | «STJG» США | 0,43 | 0,51 | 1,75 |
Однако, подобные сложные комбинированные монарные установки требуют значительного времени и затрат по их освоению. Поэтому на первом этапе целесообразно использовать упрощенные тепловые схемы монарных установок типа «Водолей» и «STJG» с вводом горячей воды (пара) в КС не более 15% от расхода воздуха через компрессор.
На первом этапе освоения монарных установок такие схемы должны найти широкое применение, поскольку они при сравнительно малых дополнительных затратах обеспечивают значительное повышение мощности и КПД ГТУ и улучшают экологическую обстановку в районе объекта. Примером такой упрощенной схемы монарной установки может служить схема представленная на рис. 6 [6 ].
Известно, что ввод воды (пара) в камеру сгорания помимо увеличения мощности и КПД ГТУ резко уменьшает выброс вредных соединений (главным образом оксидов азота) в атмосферу. Ещё большего эффекта в подавлении образования оксидов азота можно добиться, если в камеру сгорания вводить не воду, а слабый водный раствор карбамида, а в выходной тракт ГТУ впрыскивать небольшое количество аммиачной воды (1-2% от расхода воздуха рис.6).
Процесс восстановления оксидов азота осуществляется в два этапа.
Этап 1: восстановление монооксида азота NO до молекулярного азота в количестве, достаточном длч получения в дымовых газах эквимолекулярной смеси (50% : 50%) моноокиси NOидвуокисиNO2азота. Процесс восстановления осуществляется фиксированным вводом в камеру сгорания через паровой эжектор раствора карбамида в зону с температурой t = 1100˚С (между корпусом и жаровой трубой КС). Процесс идет по реакции
(NН2 )2 СО + 6NО = 5N2+4Н2О+2СО2.
На первом этапе содержание оксидов азота в отработавших газах снижается на 70-80%.
Этап 2: связывание эквимолекулярной смеси оксидов азота аммиачной водой в нитрат аммония с разложением последнего до молекулярного азота. Вода вводится в выходной тракт ГТУ. Процесс идет по реакциям:
NН4СН + N2О3 → 2NН4NО2 +Н2О,
а поскольку температура выхлопа составляет t2
500˚С, одновременно происходит реакция разложения нитрата аммония:NН4NО2→N2+2Н2О.
На втором этапе содержание оксидов азотв снижается еще на 50-60% от оставшихся и общее снижениеNО2 достигает 80-90%.
Для повышения мощности ГТУ в сухое ижаркое время года целесообразно использовать автоматизированную систему водоиспарительного охлаждения (ВИО). В этом случае на входе в компрессор за счет испарения воды снижается температура всасываемого воздуха и полезная работа ГТУ увеличивается. Во избежание попадания в компрессор избыточной влаги и влажного сжатия состояние вождуха на входе в компрессор поддерживается на линии насыщения (точка росы) с помощью психрометра, воздействующего на количество подаваемой в систему ВИО воды.
К воде, впрыскиваемой в камеру сгорания и для водоиспарительного охлаждения, предъявляются те же жесткие требования по содержанию солей, что и для паротурбинных установок, т.е. должны использоваться технический дистиллат и химически очищенная вода. Поэтому подобные схемы должны быть оборудованы системой ХВО (химической очистки) и воздушными конденсаторами (аппараты воздушного охлаждения, АВО) для получения технического дистиллата из отработавших газов ГТУ и его накопления в емкостях.
Работы по переводу ГТУ в упрощенные монарные могут быть выполнены на работающих установках в период их ремонтов.
Таким образом, предлагаемая упрощенная тепловая схема монарной установки при количестве впрыскиваемой воды в камеру сгорания 15% (по массе) от расхода воздуха через компрессор может обеспечить значительное повышение экономичности (повышение КПД порядка 10%) и мощности (порядка 30%) установки и существенное улучшение экологической обстановки в районе объекта при сравнительно невысоких дополнительных затратах (порядка 50% от стоимости установки).
6. Комбинированные теплообменные аппараты
Разработка и внедрение новых комбинированных тепловых схем ГТУ требует создания более совершенных унифицированных теплообменных аппаратов, способных обеспечить одновременно регенерацию и теплофикацию, регенерацию и получение пара с последующим его вводом в камеру сгорания или регенерацию, теплофикацию и получение пара с вводом в КС в целом. В настоящее время все газотурбинные установки выпускаются с выходными патрубками, к которым с помощью переходных устройств может быть подсоединено практически любое теплообменное оборудование. В связи с этим заводы-изготавители перешли на изготовление унифицированных теплообменников секционного типа специальной конструкции.
Студент-дипломник, разрабатывающий тот или иной вариант ГТУ должен ориентироваться на передовой опыт применения комбинированных теплообменников в газотурбиностроении в частности унифицированных регенераторов.
На многих газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов ОАО"ГАЗПРОМ" установлены газотурбинные агрегаты мощностью 6 и 10 МВт с регенеративным циклом. На этих агрегатах применены пластинчатые регенераторы, которые при работе в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок, выходят из строя и требуют замены из-за потери плотности, так как практически неремонтопригодны.
Для обеспечения замены пластинчатых регенераторов, потерявших плотность, в 1990 году было принято решение освоить на ОАО “Машиностроительный завод ЗиО-Подольск” производство надежных, эффективных трубчатых регенераторов, способных стабильно работать в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок. Конструкции трубчатых регенераторов, создаваемых на заводе, разработаны на основе проверенного отечественного и зарубежного опыта разработки и производства трубчатых регенераторов с учетом технологических возможностей завода, и имеющихся наработок по проектированию, изготовлению оборудования АЭС и эксплуатации аналогичного теплообменного оборудования.
В соответствии с исходными требованиями ОАО "Газпром" на "'ЗиО'" в 1991 году был разработан головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 со степенью регенерации 0,81 для замены пластинчатою регенератора (с фактической степенью регенерации 0,65) для газотурбинного агрегата ГТК-10-4
В процессе разработки были проведены научно-исследовательские, расчетные и опытно-конструкторские работы в обоснование конструкции регенератора, проведены тепловые, гидравлические, термоциклические испытания на моделях. Большое внимание уделялось надежности и технологичности конструкции, отработке узла заделки труб в трубных досках с помощью вальцовки и сварки, их стойкости к термоциклическим нагрузкам, обеспечению плотности, компенсации температурных расширений. Полученные результаты испытании и исследовании были заложены в расчетные модели, программы, в тепловые, гидравлические и прочностные расчеты, расчеты температурных полей.
Головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 изготовленный на "ЗиО", был смонтирован и' прошел испытания на Писаревском ЛПУ МГ "Волгоградтрансгаз". В результате испытаний установлено повышение мощности агрегата с 6,5 МВт (при пластинчатом регенераторе) до 9,2 МВт и увеличение эффективного КПД агрегата до 30.3%. Начиная с 1993 г. регенератор обеспечивает устойчивую и надежную работу агрегата, экономию природного газа и снижение эксплуатационных расходов. Аналогичные результаты получены на многих компрессорных станциях при эксплуатации подобных вертикальных трубчатых регенераторов типа РВП-3600-02.
За период с 1992 г. по настоящее время на "ЗиО" разработано, изготовлено 10 типов регенераторов. В настоящее время заводом поставлено более 210 комплектов регенераторов, их характеристики представлены в таблице. Регенераторы выполняются двухсекционными. Каждая секция корпусного регенератора представляет собой прямотрубный осесимметричный кожухотрубчатый аппарат с компенсатором на корпусе. Продукты сгорания двигаются внутри труб, воздух многократно омывает трубы в межтрубном пространстве за счет установки перегородок. Симметричная конструкция и наличие компенсатора на корпусе секции обеспечивают компенсацию разности температурных расширений корпуса и труб. Трубы закреплены в трубных досках вальцовкой и сваркой по отработанной на заводе технологии, что позволяет повысить надежность конструкции, устранить утечки воздуха. Трубчатый регенератор удобен в эксплуатации, ремонтопригоден, конструкция позволяет при необходимости выполнять ремонт узла соединения труба - трубная доска и глушение труб в случае возникновения неплотностей. В конструкции применены углеродистые и низколегированные стали, качество которых проверено в течение многолетнего сотрудничества с российскими предприятиями. Для элементов, работающих при температурах до 450°С, применяются стали 22К, 16ГС, 09Г2С, при более высоких температурах (до 550°С) - стали 12ХМ, 15ХМ, трубы из стали 15ХМ. Конструкторские решения и материалы, принятые в проектах регенераторов, подтверждены тепловыми, аэродинамическими, прочностными и коррозионными испытаниями, а также металлографическими и технологическими исследованиями. В процессе изготовления были уточнены требования по консервации и расконсервации перед эксплуатацией регенераторов, повышено качество изготовления.
Качество регенераторов, изготовленных на "ЗиО", гарантировано многолетним опытом производства на заводе аналогичного теплообменного оборудования, наличием квалифицированных специалистов, современного технологического и сварочного оборудования, неразрушающих методов контроля и служб контроля качества. Основное внимание уделяется обеспечению надежности. Срок службы регенераторов составляет не менее 20 лет, ресурс работы не менее 120 тыс. час., число циклов (пуск/остановок) - не менее 1000. Трубчатые регенераторы, изготовленные "ЗиО" отвечают требованиям промышленной безопасности ПБ 10-115-96.
Регенераторы комплектуются трубопроводами обвязки, газоходами до здания КС, площадками с лестницами, стальными опорными конструкциями, дымовыми трубами и дополнительными элементами по требованию заказчика.
Для модернизации агрегатов ГТК- 10-4 завод разработал, серийно изготовил и поставил 38 вертикальных трубчатых регенераторов РВП-3600-02, разработанных на основе регенератора РВП-3600-01 с учетом пожеланий заказчиков по улучшению условий монтажа, (боковой подвод продуктов сгорания, поворотное устройство, устанавливаемое на нулевой отметке).
С 1998 года заводом освоено производство вертикальных регенераторов РВП-3600-03, секции которых на 5 т легче секций РВП-3600-02 за счет применения длинномерных труб (шесть ходов по воздуху вместо четырех) и снижения металлоемкости корпуса. В следующей модификации дополнительное снижение массы секции регенератора типа РВП-3600-03 достигается применением тонкостенных труб с толщиной стенки '0,8 мм (вместо 1 мм). Применение таких труб для РВП-3600-04 позволило снизить массу секции еще на 5 т. при сохранении остальных основных характеристик. Завод изготовил головной образец РВП-3600-04, который смонтирован, испытан и пущен в эксплуатацию на КС Александров Гай "Югтрансгаза".
Для комплектации вертикальных регенераторов типа РВП-3600-02, РВП-3600-03, РВП-3600-04 агрегатов ГТК-10-4 разработана техдокументация и изготавливаются байпасные утилизационные теплообменники УТБ- 1,5-0,6 и УТБ-1,5-0,6-130 мощностью 1,5 МВт и температурой воды на выходе 115 и 130°С, соответственно. Выпущенные заводом и смонтированные регенераторы РВП-3600-02 могут быть доукомплектованы запасными утилизаторами по заявке заказчиков.
По специальному заказу "Сургутгазпрома" для модернизации агрегатов ГТК-10-4 были разработаны трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800, которые из условий имеющихся ограничений по габаритам и несущей способности существующих фундаментов выполнены со степенью регенерации 0,68, относительным суммарным сопротивлением 4,2 % и уменьшенной массой секции до 24 т. Секции РГУ-1800 устанавливаются на фундаменты заменяемых секций пластинчатого регенератора с помощью переходных опорных рам при минимальном объеме работ при монтаже. Повышение эффективности следующих модификаций на основе РГУ-1800 было достигнуто за счет интенсификации теплообмена путем нанесения на теплообменные трубы внутренних периодически повторяющихся выступов. Выступы формируются путем наружной обкатки труб специальным инструментом.
Трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800-01 с интенсификаторами теплообмена имеют степень регенерации 0,73, суммарное относительное сопротивление - не более 5%, масса секции - не более 24 т. Приёмочные испытания головных регенераторов РГУ-1800-01 проведены на КС “Урдома” и "Синдора" "Севергазпрома". Полученные результаты подтвердили заложенные в проекте характеристики. Мощность модернизируемых агрегатов практически восстановлена до проектной.
Регенераторы РГУ-1800-01 комплектуются полнопоточными утилизаторами типа УТ-1,5-0,6 (рис.7) или УТ-2,5-0,6 (рис.8) и байпасным утилизатором типа УТБ-3,5-0,6 УХД.
Для "Мострансгаза" (КС "Алгасово") и "Тюментрансгаза" были разработаны и поставлены новые модификации регенераторов РГУ-1800-02, которые отличаются от РГУ-1800-01 присоединительными размерами и отсутствием утилизаторов тепла
Для модернизации агрегатов типа ГТ-750-6 были разработаны и изготовлены горизонтальные регенераторы РВП-2400.
Регенератор РВП-2400 горизонтального типа для агрегата ГТ-750-6 прошел испытания на Воскресенском ЛПУ "Мострансгаз'". Результаты испытаний показали, что характеристики регенератора соответствую технической документации Для различных компоновок компрессорных станций типа КС “Воскресенск”, КС "Острогож" ("Алтай"') для "Мострансгаз" и "Югтрансгаз" с регенераторами типа РВП-2400 разработана техдокументация и изготавливаются трубопроводы обвязки секций. Трубопроводы могут поставляться как в комплекте с регенераторами РВП-2400, так и отдельно по заявке Заказчика.
Для агрегатов типа ГТ-750-6М на КС "Острогоржск" "Мострансгаза"'. имеющие ограничения по компоновке, разработан и изготовлен вертикальный трубчатый регенератор РВП-2400-01 (рис.9) с массой секции 34 т с полнопоточными утилизаторами УТ- 1,75 -0,7.
Для "Югтрансгаза" разработана, изготовлена и поставлена унифицированная конструкция регенератора РВП-2400-01 с байпасным утилизатором тепла.
Регенераторы производства ОАО "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск" кожухотрубчатого типа с компенсатором на корпусе надежные в эксплуатации, головной образец, например, в течении 10 лет работает без потери плотности. Степень регенерации их выше заменяемых пластинчатых регенераторов. Конструкция ремонтопригодна позволяет при необходимости провести глушение любой теплообменной трубы. К недостаткам кожухотрубчатых регенераторов типа РВП-3600 и РВП-2400 при замене существующих пластинчатых следует отнести их металлоемкость, затраты на доставку, монтаж с применением большегрузной техники и укреплением фундаментов при необходимости.
Перспективные разработки ОАО "ПК ЗиОМАР" направлены на усовершенствование существующих и создание новых конструкций регенераторов - хорошо вписывающихся в компоновку КС позволяющих проводить монтаж без использования большегрузной грузоподъемной техники без демонтажа дымовой трубы и утилизационного теплообменника.
Для агрегатов типа ГТК-10-4, эксплуатирующихся на компрессорных станциях магистральных газопроводов, расположенных в северных и труднодоступных районах, имеющих ограничения по возможности доставки грузов и грузоподъемной техники, при модернизации и капитальном ремонте рекомендуется применять блочно - секционные регенераторы. Блочно -секционные регенераторы поставляются на монтаж транспортабельными блоками небольшой массы по 5... 10 т.
Учитывая опыт изготовителя, монтажа и испытаний блочно секционных регенераторов других предприятий, а так же требования заказчиков ОАО ИК «ЗИОМАР» был разработан и на ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО - Подольск» изготовлен головной образец блочно - секционного регенератора РВП-ЗОООБС.
РВП-ЗОООБС собирается из транспортабельных блоков максимальной заводской готовности. Технические характеристики и компоновка РВП-ЗОООБС представлена на рис.10.
Регенератор состоит из двух секций, каждая секция из четырех теплообменных блоков массой не более 7,1 т; поставляемых на монтаж конфузора, диффузора, элементов трубопроводов воздуха, компенсатора газохода, опорных рам. Поверхность нагрева трубного пучка теплообменного блока выполняется из труб сталь 15ХМ, воздух движется в грубном пространстве, продукты сгорания - в межтрубном пространстве. Закрепление труб в трубные доски - на вальцовке и сварке. При монтаже первый теплообменный блок устанавливается на опорные (переходные) рамы (закрепляемые на имеющихся свайных фундаментах) и последовательно устанавливаются остальные 3 блока проводится сварка по коллекторам и обшивке. Затем монтируется диффузор, конфузор, трубопроводы воздуха, компенсатор газохода и другие элементы.
Разработан новый блочно - секционный регенератор РВП-ЗОООБС-01 с массой секции до 1 8т, массой поставочных блоков до 5т. В настоящее время ведется производство серии новых блочно - секционных регенераторов РВП-ЗОООБС-01(рис.11).
Основное направление перспективных разработок регенераторов направлено на снижение массы поставочных блоков, стоимости, повышение их технологичности и надежности.
Номенклатура регенераторов производства ОАО "Машиностроительный завод ЗиО-Подольск" предоставляет Заказчику широкий выбор типов регенераторов в зависимости от расположения, компоновки и мощности агрегатов КС.
ОАО "ИК ЗИОМАР" и "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск" с участием заинтересованных организаций работают над дальнейшим совершенствованием трубчатых регенераторов, ведутся работы по оптимизации и унификации конструкций, снижением массы поставочных узлов. ОАО "ИК ЗИОМАР" и ОАО "Машиностроительный завод ЗиО - Подольск” имеют возможность разработать и изготовить регенераторы вертикального и горизонтального исполнения по требованиям заказчиков для. перспективных газотурбинных установок с регенеративным циклом. Возможна поставка регенераторов в комплекте с утилизаторами. Завод имеет технологические и производственные возможности по наращиванию выпуска регенераторов.
Список использованной и рекомендованной литературы
1. Арсеньев А.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982.- 247 с.
. Газотурбинные установки: Атлас конструкций и схем / Л.А. Шубенко-шубин, П.А. Лисецкий и др.- М.: Машиностроение,1976.-164 с.
. Дикий Н.А. Судовые газотурбинные установки.-Л.: Судостроение, 1978.- 265 с.
. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки.- М.: Высш. Шк., 1979.- 254 с.
. Кузьмичев Р.В. Расчет тепловых схем и переменных режимов газотурбинных установок: Учеб. пособие.- Брянск: БИТМ, 1988.- 88 с.
. Кузьмичев Р.В., Осипов А.В. О повышении экономичности газотурбинных установок // Физические процессы и явления, происходящие в теплоэнергетических установках; Под ред. В.Т. Буглаева.- Брянск, 19977. Охрана окружающей среды: Учеб. пособие для студентов вузов / Под ред. С.В. Белова.- М.: Высш. Шк., 1983.- 264 с.
. Повышение эффективности использования газа на компрессорных станциях / В.А. Динков, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев, П.М. Мужеливский.- М.: Недра, 1981.- 296 с.
. Повышение эффективности работы газотурбинных ГПА. Р.М. Макар, Б.И. Шелковский, Л.Б. Чабанов, Н.А. Дикий, В.И. Романов // Газовая промышленность.- №6,1997.- С. 40-49.
. Романов В.И. Кривуца В.А. Комбинированная газотурбинная установка мощности 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парового потока // теплоэнергетика.- №4, 1996.- С. 27-30.
. Стационарные газотурбинные установки / Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др.; Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина.- Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1989.- 543