СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОСЕВОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА
METHOD OF INCREASING EFFICIENCY OF AXIAL MULTI-STAGE COMPRESSOR OPERATION

Изобретение относится к области компрессоростроения и теплоэнергетики и может быть использовано, например, в газотурбинных установках с осевым многоступенчатым компрессором.
Известен способ увеличения полезной мощности промышленной газовой турбины (патент RU №2178532, МПК F02C 7/30, опубликован 2002.01.20), осуществляемый путем добавления к рабочему телу компрессора, состоящего из воздуха, капель воды. Количество добавляемой воды составляет не менее трех четвертей процента в виде примеси к полностью влажному воздуху. Подача жидкости осуществляется выше по потоку от входного отверстия компрессора. В результате достигается увеличение кпд компрессора за счет испарительного охлаждения воздуха в процессе его сжатия. Однако темп повышения кпд компрессоров резко падает уже при 0,2…0,3% воды от расхода воздуха, что особенно характерно для компрессоров сравнительно малой и средней производительности. Это происходит из-за недостаточно интенсивного процесса испарения воды по длине компрессора и больших дополнительных потерь, связанных с транспортом воды в лопаточном аппарате (разгон и торможение капель, движение пленки воды по поверхностям лопаток и др.), а также затратой энергии на сжатие паров испарившейся воды. Таким образом, при впрыске воды перед лопаточным аппаратом увеличение содержания воды вплоть до трех четвертых процента от расхода полностью влажного воздуха к существенному увеличению кпд компрессора не приводит.
Наиболее близким техническим решением является способ повышения эффективности работы газотурбинной установки (патент RU №2229030, МПК F02C 3/30, опубл. 2004.05.20), включающий впрыск воды на вход воздушного компрессора и пара в камеру сгорания. Воду в воздушный компрессор подают по ступеням сжатия через осевой канал вала ротора компрессора. Изобретение позволяет повысить кпд газотурбинной установки.
Недостатком данного изобретения является отсутствие определения оптимального количества впрыскиваемой воды и рационального ее распределения по ступеням сжатия, ведущее к перерасходу воды, увеличению эксплуатационных расходов, увеличению эрозии лопаток компрессора и не достижению заданного уровня кпд компрессора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, обеспечивающего максимальное повышение кпд компрессора при минимальном расходе воды за счет определения оптимального, достаточного для этого повышения, количества воды, впрыскиваемой в ступени сжатия компрессора.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i.max
i
i
max(i+1)
i
i
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды в не менее чем две ступени сжатия, согласно изобретению достаточное количество впрыскиваемой воды определяют на предварительной стадии работы компрессора. На этой стадии выполняют поочередный впрыск в выбранные i-и ступени сжатия последовательно изменяющегося количества воды G. При этом измеряют режимные параметры работы компрессора и находят значения кпд η компрессора в зависимости от количества впрыскиваемой воды в i-ю ступень G. По полученным данным определяют значения коэффициента эффективности впрыска в i-ю ступень k, характеризующего отношение приращений кпд компрессора dη к соответствующим приращениям количества впрыскиваемой воды dG, т.е. k=dη/dG. Далее устанавливают зависимости коэффициента эффективности впрыска k от количества впрыскиваемой воды G для каждой выбранной i-ой ступени сжатия с впрыском. По этим зависимостям находят достаточное количество впрыскиваемой воды G в i-ю ступень сжатия как G, соответствующее величине коэффициента эффективности впрыска в i-ю ступень k, равной максимальному значению коэффициента эффективности впрыска k в последующую по ходу движения воздуха ступень, в которую осуществляется впрыск. При этом максимальное количество впрыскиваемой воды в последнюю по ходу движения воздуха выбранную ступень сжатия соответствует G при нулевом значении коэффициента эффективности впрыска в эту ступень k=0.
При осуществлении способа в указанной совокупности признаков достигается максимальное повышение кпд при минимальном расходе воды за счет определения достаточного для этого количества воды, впрыскиваемой в каждую из выбранных ступеней, до начала работы компрессора.
s.max
Максимальное суммарное количество впрыскиваемой воды G в компрессор определяют путем сложения установленных достаточных количеств воды в каждую из ступеней и максимального количества воды в последнюю ступень, в которую осуществляется впрыск.
i
В частном случае реализации способа на предварительной стадии работы компрессора в качестве режимных параметров измеряют температуру, паросодержание и давление воздуха перед и за компрессором, температуру впрыскиваемой воды, а значения кпд компрессора η определяют по формуле
i
р
вх
вых
вх
р
вых
вх
вых
вх
пар
вод
(1-Cv/Cp)
η=СТ·((Р/Р)-1)/(С(Т-Т)+(d-d)·(h-h)),
вх
вых
где Т и Т - температуры воздуха перед и за компрессором в градусах Кельвина,
вых
вх
Р и P - давление воздуха за и перед компрессором в МПа,
вых
вх
d и d - паросодержание воздуха на выходе и на входе в компрессор в кг на кг воздуха,
пар
h - энтальпия пара в воздухе за компрессором в кДж/кг пара,
вод
h - энтальпия впрыскиваемой воды в кДж/кг воды,
p
v
C и C - теплоемкость воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме в кДж/кг. Градус.
i.max
Для оптимизации процесса на стадии работы компрессора заданное количество впрыскиваемой воды распределяют по ступеням сжатия до величины G в каждой ступени, а в последнюю ступень впрыскивают количество воды, равное разности между заданным количеством воды и суммой установленных достаточных количеств воды в каждую из выбранных ступеней. Причем заданное количество впрыскиваемой воды не может превышать максимального суммарного количества впрыскиваемой воды, определенного согласно изобретению, а зависит только от необходимого в данный момент повышения кпд и внешних условий работы компрессора.
Достаточное количество воды, впрыскиваемой в каждую из выбранных ступеней, определяется, исходя из следующих соображений. Экспериментально установлено, что при впрыске в ступени сжатия, расположенные ближе к входной части компрессора, темп роста величины кпд первоначально больше. Это связано с тем, что впрыск воды в этих ступенях снижает температуру воздуха в большей части компрессора, что снижает энергозатраты на его привод. Однако из-за сравнительно низких температур воздуха в этих ступенях количество испарившейся воды невелико, что ограничивает величину испарительного охлаждения воздуха. Одновременно при этом интенсивно растут потери от наличия неиспарившейся влаги в проточной части компрессора. Впрыск воды в ступени сжатия, более отдаленные от входа в компрессор, снижает температуру воздуха в меньшей части компрессора и снижение энергозатрат на привод становится меньше. Однако вследствие более высокой температуры воздуха количество испарившейся воды больше. В результате в этих ступенях с впрыском воды темп увеличения кпд компрессора ниже, но сама величина кпд достигает более высоких значений.
i
i
i
i
i
i
i.max
i
i
max(i+1)
С целью учета темпа увеличения кпд при впрыске воды в разные ступени сжатия вводится коэффициент эффективности впрыска в i-ю ступень k, характеризующий отношение приращений кпд компрессора dη к соответствующим приращениям количества впрыскиваемой воды dG, т.е. k=dη/dG. Достаточное количество воды для получения максимального увеличения кпд определяют, например, с помощью построения графиков зависимости коэффициента эффективности впрыска от количества впрыскиваемой воды. По полученным графикам находят достаточное количество впрыскиваемой воды G в i-ю ступень сжатия как G, соответствующее величине коэффициента эффективности впрыска в i-ю ступень k, равной максимальному значению коэффициента эффективности впрыска в последующую по ходу движения воздуха ступень, в которую осуществляется впрыск k. Достаточность количества впрыскиваемой воды определяется тем, что при введении большего количества воды в эту i-ю ступень темп увеличения кпд компрессора становится меньше, чем при впрыске в следующую ступень сжатия, и для дальнейшего повышения кпд увеличение суммарного количества впрыскиваемой воды рационально проводить путем впрыска уже в следующую ступень при сохранении количества впрыскиваемой воды в предыдущие ступени.
i
Максимальное количество впрыскиваемой воды в последнюю по ходу движения воздуха выбранную ступень сжатия соответствует G при нулевом значении коэффициента эффективности впрыска в эту ступень, поскольку увеличение количества впрыскиваемой воды сверх указанного значения приводит к снижению кпд компрессора из-за роста дополнительных потерь, связанных с наличием неиспарившейся воды.
Кпд компрессора можно определять различными методами при измерении различных режимных параметров компрессора, например температуры, давления, энергозатрат на привод.
Предложенный способ определения кпд в частном случае реализации способа учитывает увеличение энергозатрат, необходимых для сжатия паров испарившейся воды. Новым в формуле является введение показателей, характеризующих паросодержание и энтальпию паров воды в воздухе за компрессором. Паросодержание может быть определено по температурам в точках росы в воздухе после и перед компрессором, измеряемым существующими приборами, используемыми, например, в пневматических системах контрольно-измерительных приборов и автоматики. При этом могут быть использованы «диаграммы энтальпии и энтропии для влажного воздуха», например, представленные в книге Г.А.Михайловского «Термодинамические расчеты процессов парогазовых смесей», М.-Л., Машгиз, 1962 г., 184 с. Энтальпия пара в воздухе за компрессором определяется по температуре воздуха и паросодержанию с помощью тех же диаграмм. Значение энтальпии впрыскиваемой воды - по ее температуре по известным таблицам свойств пара и воды, например, опубликованным в книге Вукаловича М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М., Машгиз - Берлин VEB. «Verlag technik», 1958.
Сущность способа поясняется следующими графическими изображениями, на которых в качестве примера показаны результаты его применения на компрессоре газотурбинной установки ГТ-009.
i
i
s
На фиг.1 представлены графики зависимости кпд η компрессора от количества впрыскиваемой воды G в следующие ступени сжатия: на вход компрессора (кривая 1), в третью (кривая 2) и шестую (кривая 3) ступень сжатия. Здесь же показаны графики зависимости кпд компрессора от суммарного расхода впрыскиваемой воды G при оптимизированном по изобретению впрыске воды (кривая 4) и при впрыске воды в количествах, соответствующих максимальным значениям кпд для каждой ступени (кривая 5).
i
i
На фиг.2 представлены графики зависимости коэффициента эффективности впрыска k от количества впрыскиваемой воды G в ступени компрессора.
Для реализации способа в компрессоре установлены устройства для впрыска воды в ступени сжатия, соединенные с подводящими воду трубопроводами с запорной и регулирующей арматурой.
Компрессор на входе и выходе снабжен датчиками температуры и давления воздуха, датчиками температуры впрыскиваемой воды, приборами для определения паросодержания воздуха.
i
i
1
2
3
Способ осуществляется следующим образом. В частном случае реализации изобретения впрыск производится на входе в компрессор, т.е. в 1 ступень, а также в 3 и 6 ступени сжатия. Выбор ступеней сжатия определяется возможностью установки устройств для впрыска. На предварительной стадии с помощью запорной и регулирующей арматуры выполняют поочередный впрыск в выбранные ступени сжатия последовательно изменяющегося количества воды G, определяемого в процентах от расхода воздуха. При этом измеряют следующие режимные параметры компрессора: температуру, паросодержание и давление воздуха перед и за компрессором, температуру впрыскиваемой воды. По полученным данным определяют значения кпд η компрессора в зависимости от количества впрыскиваемой воды в первую G, третью G и шестую ступень G по формуле:
i
p
вх
вых
вх
p
вых
вх
вых
вх
пар
вод
(1-Cv/Cp)
η=CТ·((Р/Р)-1)/(C(Т-Т)+(d-d)·(h-h))
вх
вх
вых
вых
вх
вых
вод
пар
p
v
i
Например, при впрыске в третью ступень компрессора 0,2% воды измеряют следующие параметры: температуру впрыскиваемой воды - 15°С, параметры на входе в компрессор Т=288K, Р=0,1 МПа, температуру точки росы 10°С; параметры за компрессором: Р=0,655 МПа, T=495,6K, температуру точки росы пробы воздуха, предварительно редуцированной до атмосферного давления, - 14,2°С. По измеренным параметрам по вышеназванной «диаграмме энтальпии и энтропии для влажного воздуха» определяют величины d=0,0078 кг воды/кг воздуха, d=0,0098 кг воды/кг воздуха, а по вышеуказанным таблицам свойств пара и воды находят величину h=62,8 кДж/кг. По паросодержанию и температуре воздуха из известных таблиц свойств воздуха устанавливают h=2933 кДж/кг, C=1,02 кДж/(кг·K), C=0,712 кДж/(кг·K). Подставив данные в приведенное выше выражение, получают η=0,8871 (точка N на кривой 2 фиг.1).
i
i
По полученным значениям строят графики зависимостей η от G для впрыска в выбранные ступени сжатия (фиг.1.). По этим графикам можно найти максимальное значение кпд компрессора и соответствующее ему количество воды, однако, как видно из графиков, темп роста кпд при приближении к максимальным значениям резко замедляется, что ведет к значительному перерасходу воды при незначительном увеличении кпд.
i
i
i
i
i
i
i
i
i.max
i
i
max(i+1)
С целью учета темпа роста кпд вводят коэффициент эффективности впрыска k, характеризующий отношение приращений кпд компрессора dη к соответствующим приращениям количества впрыскиваемой воды dG, т.е. k=dη/dG и позволяющий определить то достаточное количество впрыскиваемой в ступени сжатия воды, при котором достигается значимое повышение кпд. Для этого по данным графиков на фиг.1 устанавливают зависимости коэффициента эффективности впрыска k от количества впрыскиваемой воды G для каждой выбранной i-ой ступени сжатия с впрыском (фиг.2). По полученным зависимостям находят достаточное количество впрыскиваемой воды G в i-ю ступень сжатия как G, соответствующее величине коэффициента эффективности впрыска в i-ю ступень k, равной максимальному значению коэффициента эффективности впрыска k в последующую по ходу движения воздуха ступень, в которую осуществляется впрыск. Для частного случая реализации способа находят достаточное количество впрыскиваемой воды в первую ступень компрессора по графику зависимости для первой ступени сжатия путем определения точки В (фиг.2), соответствующей равному значению коэффициентов
1
2max
2max
i
1.max
2.max
3
3
3.max
s.max
k=k, где k - максимальное значение k для третьей ступени сжатия (точка С). В результате получают G=0,05%. Аналогично определяют по точкам D и Е достаточное количество воды в третью ступень G=0,2%. Максимальное количество впрыскиваемой воды в последнюю по ходу движения воздуха шестую ступень сжатия соответствует G при нулевом значении коэффициента эффективности впрыска в эту ступень k=0 в точке F, т.е. G=0,9%. Таким образом определенные количества впрыскиваемой воды в каждую ступень соответствуют максимальным темпам прироста кпд компрессора. Далее определяют максимальное суммарное количество впрыскиваемой воды G в компрессор путем сложения установленных достаточных количеств воды в каждую из ступеней и максимального количества воды в последнюю ступень, в которую осуществляется впрыск, т.е.
s.max
1.max
2.max
3.max
G=G+G+G=0,05%+0,2%+0,9%=1,15%.
На этапе работы компрессора установленные количества воды впрыскивают в выбранные ступени сжатия.
1
2
3
При использовании предлагаемого способа кпд компрессора возрастает с 87,8% до 90,28%, то есть более чем на 2,48% абсолютных (кривая 4 фиг.1). В случае впрыска всего количества воды только в первую ступень сжатия прирост кпд составляет всего 0,32%, только в третью ступень сжатия 1,19% и только в шестую - 1% (соответственно кривые 1, 2, 3 фиг.1). В случае впрыска воды в ступени в количествах, соответствующих максимальным значениям кпд компрессора, определенным по максимумам на кривых 1, 2, 3 на фиг.1 (G=0,06%, G=0,5%, G=0,9%), увеличение кпд на 2,48% достигается с затратой примерно в 1,5 раза большего количества воды (кривая 5 фиг.1). Сокращение количества впрыскиваемой воды в предлагаемом способе заметно уменьшает капитальные и эксплуатационные расходы на его использование.
s.max
На практике обычно не пользуются максимальным суммарным количеством впрыскиваемой воды G, а применяют меньшее заданное количество воды, учитывающее низкий темп прироста кпд при вводе максимального количества воды в последнюю по ходу движения воздуха выбранную ступень сжатия.
s
1
2
3
Например, по кривой 4 фиг.1 определяют, что с точки К темп прироста кпд резко снижается. Тогда принимают за заданное количество воды G=0,7%, соответствующее этой точке, а оптимальное распределение по ступеням сжатия G=0,05%, G=0,2%, G=0,45% (фиг.2), в результате чего η=89,96%. Для достижения кпд η=90,28% требуется воды в 1,64 раза больше. Такое значительное увеличение количества впрыскиваемой воды при относительно небольшом росте кпд компрессора (на 0,34%) следует считать неоправданным.
Все приведенные величины на фиг.1 и 2 соответствуют расчетным параметрам установки ГТ-009 при температуре наружного воздуха +15°С. Если же температура наружного воздуха возрастает, то преимущества оптимизированного впрыска существенно увеличиваются.
Таким образом, предлагаемый способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем определения достаточного количества воды, впрыскиваемой в ступени сжатия компрессора, обеспечивает максимальное повышение кпд компрессора при минимальном расходе воды.