Расчетное исследование влияния впрыска воды в проточную часть компрессора газотурбинной установки

УДК 621.438

РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВПРЫСКА ВОДЫ В ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОЙ

УСТАНОВКИ

А.Б. ШИГАПОВ, А.А. ШИГАПОВ, М.Х. ЗИННАТУЛЛИН Казанский государственный энергетический университет

Установлены оптимальные параметры и место впрыска воды в проточную часть многоступенчатого компрессора, которые используются для снижения температуры воздуха и уменьшения потребляемой компрессором мощности.

Ключевые слова: впрыск воды, испарение капель, снижение температуры, давление, температура среды, температура насыщения.

Попытки снижения температуры воздуха на входе в компрессор путем впрыска воды предпринимались рядом авторов [1,2,3,4]. Хотя изменение основных характеристик ГТУ (мощности, степени сжатия, КПД компрессора, удельного расхода топлива) было неоднозначным, ожидалось, что мощность и полезная мощность газотурбинной установки будут расти. За счет снижения температуры среды (паровоздушной смеси) при определенных расходах воды мощность на привод компрессора может снижаться, что, естественно, приводит к увеличению полезной мощности ГТУ для выработки электрической энергии. Дополнительно снижение температуры на входе в компрессор вызывает увеличение плотности среды, что (аналогично влиянию температуры окружающей среды) приводит к росту общей мощности ГТУ. Изменение других параметров, таких как топливная экономичность ГТУ, удельный расход топлива (расход топлива на единицу выработанной электрической энергии или полезной мощности механической работы Ъу = ОNр ) в

этих работах не обсуждалось.

При впрыске воды системой форсунок на расстоянии 1,5 м входного сечения компрессора в некоторых режимах наблюдалось увеличение степени сжатия в компрессоре в 1,12 раза [2], при этом для первых ступеней происходило снижение, для последних - повышение степеней сжатия воздуха. Был зафиксирован общий рост массового расхода паровоздушной смеси на 10%.

Особого внимания заслуживает работа [3], в которой экспериментально установлено, что впрыскиваемая во входном сечении компрессора вода при сжатии в ступенях выпадает в осадок. Затем вода, вовлекаясь во вращательное движение в межлопаточных каналах компрессора, испытывая действие центробежных сил, образует слой жидкости в радиальных зазорах рабочих лопаток компрессора. Причина этого явления, в общем-то, понятна. При впрыске воды через форсунки образуются мелкодисперсные капли - туман, имеющие громадные площади поверхностей раздела фаз - поверхностей массообмена. Бурный процесс парообразования сопровождается

© А.Б. Шигапов, А.А. Шигапов, МХ. Зиннатуллин Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

поглощением теплоты окружающей среды - воздуха. Происходит заметное снижение температуры окружающего воздуха - когда она становится ниже температуры насыщения паров воды при локальном значении давления среды, появляются условия для частичной конденсации паров воды.

Подтверждением особенностей впрыска воды на входе в компрессор являются результаты расчетов температуры среды, выполненные при изменении расхода H2O в диапазоне от 1 до 10%. В данной серии расчетов параметры впрыскиваемой воды приняты постоянными: давление перед форсунками 0,4 МПа, температура 150°С, - при которых энтальпия воды равна 632,3 и теплота фазового перехода - 2113,6 кДж/кг. Расходам воды 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0 % соответствуют температуры 275,2; 266,7; 249,9; 216,9 и 154,4 К. Можно заметить, что уже при расходе воды 1% при полном испарении наступает область отрицательных температур (-6,45°С), при которых при термодинамическом равновесии начинается обратный процесс конденсации влаги.

Условия движения в межлопаточных каналах компрессора более чем благоприятны для столкновений образовавшихся капель, их коагуляции, роста размеров и образования сплошной жидкой пленки. Рост давления по тракту, неравномерность поля давлений и температур в радиальном и осевом направлениях межлопаточных каналов интенсифицируют процессы перехода воды из парообразной в жидкую фазу.

Жидкая сплошная пленка имеет небольшую площадь поверхности раздела фаз. При этих условиях даже при благоприятных условиях (повышение температуры в процессе сжатия) дальнейшее испарение воды будет затруднено. За характерные времена пребывания паровоздушной смеси в тракте многоступенчатого компрессора испарение образовавшейся пленки воды не происходит. По этой причине попытки организации впрыска воды в ступенях среднего и высокого давлений [4] заслуживают особого внимания.

В рассмотренных работах не определены условия, при которых следует организовать впрыск воды.

Выполненное недавно диссертационное исследование [5] основано на расчете аэродинамики движения капель воды с учетом испарения. Выполненные на хорошем научно-исследовательском уровне работы в такой постановке не приближают нас к решению основной задачи - к определению места и условий, при которых следует организовать впрыск воды в проточную часть компрессора.

Авторы данной статьи попытались восполнить имеющиеся пробелы с выбором характерных параметров многоступенчатого компрессора (давления и температуры) и подаваемого хладоагента в компрессор. В качестве хладоагента рассматривалась вода, хотя подача газообразных веществ не должна отбрасываться из поля зрения. Теоретически возможна подача газообразных горючих компонентов, при условии исключения воспламенения смеси в тракте компрессора, с последующим использованием газообразного хладоагента в процессе сгорания в камере.

По тракту компрессора происходит непрерывное увеличение давления и температуры. Подача хладоагента становится возможной только в том случае, если температура среды Тj становится выше температуры насыщения воды при локальном

давлении в ступенях Tuj.

В качестве примера рассмотрим изменения указанных параметров среды (воздуха) в тракте многоступенчатого компрессора ГТУ ГТЭ-150, полученные расчетным путем в одномерном приближении [6], рис. 1. Начальные параметры воздуха в расчетах приняты стандартными, соответствующими ISO 2314 (ГОСТ 20440):

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

70 = 288,15 К и ро = 0,101325 МПа. Напомним основные параметры ГТУ ГТЭ-150: расход воздуха Ов = 630 кг/с, степень сжатия в компрессоре = 13 .

Рис. 1. Зависимость основных параметров воздуха: температуры, давления и температуры насыщенных паров на выходе из ступеней компрессора

Как видно из графиков, выполнение условия Т] > Тн] для данного компрессора

появляется только после 7 ступени (р] =0,314 МПа; Т7 =443,09 и Тн7 =408,15 К). Если впрыск выполнить раньше по тракту, имеется большая опасность выпадения впрыскиваемой воды (паров) в осадок, с появлением описанных выше нежелательных явлений. Для седьмой ступени разность ДТ = Т] — Тн] очень мала, количество

впрыскиваемой воды для охлаждения воздуха будет небольшое. Как будет показано ниже, начало впрыска в седьмой ступени соответствует оптимальным параметрам процесса.

Расход впрыскиваемой воды целесообразно определить вариантными расчетами в последовательности: 1) рассчитываем массовые доли воды Яводы = ввод/Осм и

воздуха Явозд = ^возд/Ссм , где расход смеси равен всм = ввод + вюзд ; 2) определяем температуру Тсм = [СВоздС^.воздТср + вводСр.водТвод — ввод (г" — г')]/всмСр см ЛЛаЯОЮГО воздуха, где теплоемкость воздуха принимается при локальной температуре воздуха [7]. Теплоемкость воды и теплоту фазового перехода г" — г' (здесь г" иг' - удельные энтальпии сухого насыщенного пара и кипящей воды) находим по табулированным значениям [8] при давлении подачи воды; теплоемкость смеси

Срсм =Х Я]СрI = §водСр.вод + ЯвоздСр.возд . Вариантные расчеты по пп. 1 и 2 выполняют до достижения равенства Тсм = Тн] . Можно при этом использовать графоаналитический подход. Для седьмой ступени условие Тсм = Тн] достигается при

ввод = 7,9 кг/с (рис. 2).

На температуру пароводяной смеси основное влияние оказывает теплота испарения воды, влияние температуры впрыскиваемой воды незначительно. В то же время процессы испарения интенсифицируются при подаче в воздушную среду перегретой воды. Эти факторы явились определяющими при выборе параметров воды.

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

В расчетах давление подачи воды (перед форсунками) выбиралось с учетом перепада давления рвод = р у +Дрф , где рj - местное давление воздуха в ступенях; Дрф -

перепад давления на форсунках (принимался постоянным и равным 0,2 Мпа). Температура воды принята равной температуре насыщения при данном давлении.

Рис. 2. Оптимальные значения расходов воды в ступенях

Чтобы оценить эффект термодинамического процесса от впрыска воды необходимо рассчитать возможный выигрыш или проигрыш в мощности, а также изменение удельных параметров ГТУ. Вопрос этот не однозначный. В зависимости от количества впрыскиваемой воды в некоторых случаях может наблюдаться рост потребной мощности на привод компрессора. Это возникает в случаях, когда снижение температуры среды не компенсируется ростом расхода рабочего тела компрессора за счет испарившейся воды. В расчетах весьма желательно учитывать изменение термодинамических свойств среды - паровоздушной смеси, они могут быть определены в приближении идеальности смеси и компонентов рабочей среды. При изменении термодинамических свойств неизбежно некоторое изменение энергетических показателей процессов сжатия в ступенях (КПД - Пиз ст, степени сжатия - пст и др.). Эти вопросы в настоящее время изучены недостаточно полно, поэтому расчеты выполнены в предположении постоянства степени сжатия пст и изоэнтропического коэффициента сжатия в ступенях пиз ст при впрыске воды.

Расчет термодинамических параметров паровоздушной смеси проводился в следующей последовательности: 1) рассчитывалась газовая постоянная ^м = £вод ^вод + £возд ^возд ; 2) теплоемкость при постоянном объеме

Су см = Ср см - -Ксм ; 3) показатель изоэнтропических процессов сжатия к = Срсм/Сусм ;

4) температура пароводяной смеси на выходе из ступени ?7см = Т6 (Пст 1)/к - 1)/П из.ст. Затем оценивалась эффективность процесса впрыска воды в ступени по снижению потребной мощности на сжатие ДЬ = Ьст - Ьст см , где

ЕСт = бвоздСр.возд (Т7 - Т6 ) /п из.ст. ; Ьст.см = бсмСр см (Т7см - Т6 ) /"Лиз.ст . Снижение потребной мощности на сжатие в 7-й ступени составило ДЬ = 1624,61 кВт (рис. 3).

Параметры потока и термодинамические свойства среды следующей 8-й ступени определялись по изложенному выше методу. Единственным отличием явилось то, что параметры пароводяной смеси определялись с учетом впрыска воды в предыдущей седьмой ступени. Расход воды равнялся 5,7 кг/с (рис. 2), что, как будет показано ниже, © Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

существенно меньше по сравнению с расходом воды в отсутствии впрыска в

предыдущей ступени.

Рис. 3. Прирост полезной мощности ГТУ за счет снижения потребной мощности на привод компрессора

Работа сжатия в ступени без впрыска, но с учетом параметров предыдущей ступени, выполненных с учетом впрыска, равнялась бы Ьст = 19916,01 кВт; с учетом впрыска в ступени - ¿стсм = 5991,79 кВт. Следовательно, на сжатие при впрыске воды в количестве, обеспечивающем равенство Тсм = Тну, затрачивается работа на 3924,21 кВт меньше (рис.3).

Оптимальное количество воды для впрыска на 9-й ступени равно 5,0 кг/с, соответственно количество работы Ьст = 19927,75 кВт; Ьстсм = 15240,1 кВт, и снижение работы в ступени составляет AL = 4687,64 кВт.

Вывод

Впрыск воды в компрессоре целесообразен для оптимизации параметров ГТУ. Подачу воды необходимо организовать в направляющих аппаратах ступеней. При обеспечении оптимальных параметров подаваемой воды (подача с температурой насыщения, требуемого расхода) расход от ступени к ступени снижается (рис. 2), выигрыш за счет снижения потребного количества работы в ступенях компрессора возрастает (рис. 3). Темп изменения AL снижается, несмотря на прирост эффективности процессов впрыска воды от ступени к ступени. Снижение потребной мощности компрессора представляет рост полезной мощности ГТУ.

Если подачу воды в ступени начать с 8-й ступени, расход воды составил бы 14,9 кг/с, снижение потребной мощности на сжатие в ступени равнялось бы AL = 3668,93 кВт, что существенно ниже выигрыша при оптимальной организации процесса впрыска воды в ступенях многоступенчатого компрессора. К тому же, при начале впрыска воды с 8-й ступени расход воды увеличивается почти в 2 раза, что может оказаться неприемлемым для нормальной работы ГТУ.

Summary

Optimum parameters and a place of injection of water in a flowing part of the multistage compressor which for decrease the temperature of air and reduction of capacity consumed by the compressor are used.

Keywords: water injection, evaporation of drops, temperature decrease, pressure, temperature of environment, saturation temperature. © Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

Литература

1.Середа С.О. , Гильмедов Ф.Ш., Сачкова Н.Г. Расчетные оценки изменения характеристик многоступенчатого осевого компрессора под влиянием испарения воды в его проточной части // Теплоэнергетика. 2004. №1. С.60-65.

2.Середа С.О. , Гильмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г. Экспериментальное исследование впрыска воды во входной канал многоступенчатого компрессора на его характеристики // Теплоэнергетика. 2004. №5. С.66-71.

3.Григорьяни Р.Р., Залкинд В.И., Зайгарник Ю.А. и др. Особенности поведения жидкой фазы в высокооборотных компрессорах конверсионных газотурбинных установок, их влияние на характеристики и эффективность «влажного» сжатия // Теплоэнергетика. 2007. №4. С.55-62.

4.Ануров Ю.М., Пеганов А.Ю., Скворцов А.В. и др. Расчетное исследование влияния впрыска воды на характеристики компрессора газотурбиной установки ГТ-009 // Теплоэнергетика. 2006. №12. С.13-24.

5.Скворцова А.В. Повышение параметров газотурбинных установок путём впрыска воды в проточную часть и оптимизации рабочего процесса в компрессоре. //Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2010.

6.Шигапов А.Б., Шигапов А.А. Расчет осевого компрессора и газовой турбины ГТУ. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2009. 32с.

7.Шигапов А.Б. Стационарные газотурбинные установки тепловых электрических станций. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2009. 416 с.

8.Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник ГСССД Р-776-98. М.: Издательство МЭИ, 1999.

Поступила в редакцию 03 ноября 2011 г.

Шигапов Айрат Багаутдинович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Газотурбинные энергетические установки и двигатели» (ГТУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 523-08-20; 8 (843) 519-43-62; 8 (843) 519-42-93. E-mail: Shigapov38@mail.ru.

Шигапов Азат Айратович -соискатель кафедры «Газотурбинные энергетические установки и двигатели» (ГТУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-49-80; 8(987)2903863.E-mail: Shigapov@list.ru.

Зиннатуллин Марат Халимович - магистрант кафедры «Газотурбинные энергетические установки и двигатели» (ГТУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 571-20-82; 8 (951) 8951165E-mail: zmx530i@mail.ru.

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4