Оптимизация геометрических характеристик газового тракта теплоутилизатора газотурбинной установки

УДК 62-681

ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВОГО ТРАКТА ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

А. А. Жинов, Д.В. Шевелев, А.К. Карышев, П. А. Ананьев

Проведено численное моделирование течения газа в выхлопном тракте газотурбинной установки ГПА-Ц-16 с установленным в нём теплоутилизатором. Проведен анализ гидравлических характеристик различных вариантов компоновки тракта и проведена оптимизация его геометрических характеристик. Течение газа моделировалось решением уравнений сохранения массы, импульса и энергии с применением объёмных фильтров с предварительно полученными и заданными анизотропными гидравлическими свойствами. Проведённые исследования позволили выбрать оптимальную компоновку теплоутилизатора.

Ключевые слова: газотурбинная установка, газоперекачивающий агрегат, утилизация тепла, выхлопной тракт, теплоутилизатор.

В настоящее время газотурбинные двигатели получили широкое применение для привода различных агрегатов в диапазоне мощностей от 6 до 50 МВт. Например, на их базе создаются энергетические газотурбинные установки (ГТУ) и газоперекачивающие газотурбинные агрегаты (ГПА).

Большинство современных газотурбинных двигателей, для указанных областей применения, относятся к категории ГТУ на базе конвертированных авиационных двигателей. Это предопределяет основные особенности и параметры рабочего процесса: простой термодинамический цикл, высокая степень повышения давления и высокая начальная температура газа. К основным недостаткам таких установок относятся большие потери энергии с уходящими газами. Уменьшению этих потерь, путем утилизации тепла уходящих газов газотурбинных двигателей посвящено большое количество научных исследований [1-5].

Для ГТУ сегодня активно разрабатывают утилизационные надстройки - теплообменные аппараты, устанавливаемые в выхлопной тракт двигателя, в которых теплота выхлопных газов используется для нагрева воды, воздуха или масла, а также генерации пара. В настоящее время известны установки на базе газотурбинных двигателей, работающие по циклам Брайтона-Ренкина, органическому циклу Ренкина (ORC), циклу Калины, циклу TFC (Trilateral Flash Cycle) [6-8]. Одним из важнейших элементов, определяющим эффективность работы таких циклов, является теплообменник-утилизатор - теплоутилизатор.

Установка теплоутилизатора возможна даже на действующих энергетических или приводных газотурбинных установках, путем относительно несложной модификации оборудования - заменой штатного шумоглушителя выхлопного тракта ГТУ на утилизатор тепла. Теплоутилизацион-

ная установка, предложенная ЗАО «НПВП «Турбокон» [1,2], позволяет упростить конструкцию и уменьшить массы и размеры теплоутилизатора по сравнению с классическим котлом-утилизатором ГТУ. Это достигается за счёт установки в выхлопном тракте ГТУ компактного теплообменника в котором газ передаёт своё тепло воде высокого давления с последующим расширением её и выделением пара для работы паровой турбины.

Если рассматривать утилизационный теплообменный аппарат как элемент выхлопного тракта ГТУ, то важным является минимизация его гидравлических потерь. При проектировании эффективной теплоутилизационной надстройки газотурбинного двигателя необходим обоснованный выбор оптимальной компоновки теплоутилизатора в выхлопном тракте двигателя.

Постановка задачи. Исследовалось течение газа в выхлопном тракте газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16 (рис. 1), включающем в себя улитку с выхлопным осерадиальным диффузором и выхлопную шахту.

Рис. 1. Выхлопной тракт ГПА с установленным теплоутилизатором: 1 - 6 - положение характерных сечений определения полного давления по тракту; 7 - корпус теплоутилизатора

Выхлопная шахта представляет собой диффузорный канал прямоугольного сечения, в выходном сечении которого установлен успокоитель. На диффузор выхлопной шахты устанавливается либо штатный шумоглушитель, либо теплоутилизатор.

Теплоутилизатор, разработанный ЗАО «НПВП «Турбокон», состоит из двух параллельно установленный секций - оребрённых трубных пучков. На рис. 2, а представлен чертеж одной секции теплоутилизатора. Оребрён-ный трубный пучок имеет шахматное расположение труб. На рис. 2, б представлены основные параметры оребрённого трубного пучка.

Выход газа

г

_6500__

~ Шд 1

б

Рис. 2. Конструкция теплоутилизатора: а - трубный пучок; б - геометрия оребрёния

Две секции теплоутилизатора устанавливаются в общий корпус. Исследованы два варианта компоновок секций теплоутилизатора (рис. 3):

- вариант А: секции размещается симметрично по центру корпуса теплоутилизатора, по двум сторонам располагаются боковые байпасные каналы (рис. 3, а).

- вариант Б: секции расположены вдоль стенок корпуса теплоутилизатора, по центру располагается байпасный канал (рис. 3, б).

29

а

б

Рис. 3. Варианты компоновок секций теплоутилизатора: а - вариант А; б - вариант Б

Целью исследования ставилось получение гидравлических характеристик выхлопного тракта ГПА для указанных вариантов компоновок при различном положении перепускных шиберов.

Особенности математической модели. Математическая модель течения сжимаемого вязкого газа строилась на классических уравнениях сохранения массы, импульса и энергии с учетом силы, позволяющей моделировать гидравлическое сопротивление трубного пучка теплоутилизатора и тепловой мощности, отбираемой от потока в теплоутилизаторе.

Уравнения в декартовых координатах:

Э-(ри; ) = ^

Эх;

Э

дХ-

Эр Э

+Т!)

тм у | + = -^-[Ц- + Ту I + ,

ЭрЫ;И _ Э

-(и- (Т- +т|) )-

Я ЭЩ

ту^ + ре + 8;и; + Ж,

Эхг ЭхЛ — - - Эх;

где р - плотность газа; и - скорость потока; р - статическое давление газа; г, у = 1,2 3 - номера осей координат (х, у, z); Т- = т — тензор касатель-

Эх-

к

2

ных напряжений для осей г, у; т = С^р--турбулентная вязкость в к -е

о

модели турбулентности; Ту - тензор напряжений Рейнольдса для осей г, у;

Бг- - сила, позволяющая моделировать гидравлическое сопротивление (потери давления) в трубном пучке, создаваемое потоку греющей среды ореб-

ренными трубками; к = к + — энтальпия потока по параметрам торможения; Ж - тепловая мощность, отбираемая от потока в теплоутилизаторе.

При 3D-моделировании процессов в теплообменных аппаратах с оребрёнными трубами, как правило, невозможно использовать подробное задание геометрических особенностей оребренных трубных пучков для всего теплообменника в целом. Это связано с тем, что размеры ребер и габариты теплообменника отличаются на 3 - 4 порядка, а для адекватного пространственного моделирования течения в межреберном пространстве размеры расчетной ячейки должен быть меньше, чем 1/3...1/5 толщины ребра. Это приводит к чрезвычайно большому количеству расчетных ячеек в пределах всего теплообменника. Например, при габаритах рассмотренной секции теплоутилизатора 6500*1080*1200 мм и толщине ребра его те-плообменных поверхностей 1 мм, ориентировочное количество расчетных ячеек при подробном задании такой геометрии будет: 6500-1200-1080-3-3-3=2,1-10п. Расчеты с таким количеством ячеек невозможно проводить сегодня даже на самых мощных супер-ЭВМ. Для такого рода случаев при 3D-моделировании заменяют области, занятые оребрёнными трубными пучками с "мелкой" геометрией, объемными фильтрами с заданными свойствами [9,10].

Для рассматриваемого теплоутилизатора, установленного в выхлопной тракт двигателя, теплообменные поверхности моделировались в виде объёмных фильтров с заданными анизотропными гидравлическими свойствами.

Для всех исследованных вариантов компоновки в области анизотропного фильтра задавалось следующее воздействие на газовый поток.

1. Теплоотбор, моделирующий охлаждение газа при прохождении его через теплообменную поверхность.

2. Нулевое значение компонента скорости потока в направлении перпендикулярном ребрам труб, которое моделирует течение газа в межреберном пространстве трубного пучка секции теплоутилизатора.

3. Гидравлическое сопротивление трубного пучка, определяемое характеристикой вида Ар = АО), где О - массовый расход газа через трубный пучок.

Гидравлическая характеристика трубного пучка была получена путем 3D-моделирования течения в элементе секции теплоутилизатора. Методика нахождения гидравлической характеристики оребренного трубного пучка изложена в [10].

На расчетную сетку, полученную на основе 3D-модели выхлопного тракта двигателя, накладывались следующие граничные условия.

1. Граничное условие входа - осевой вход потока из выхлопного патрубка газовой турбины в осерадиальный диффузор улитки. Расход рабочего тела: G=70 кг/с, температура газа Т=708 К. В качестве рабочего тела задавался газ следующего состава: g[Н 20]=3,6 %; g[O2]=16 %; ^]=76 %; ^С02]=4,4 %.

2. Граничные условия на стенках - непроницаемые адиабатные стенки с нулевой скоростью на поверхности (условие прилипания).

3. Граничное условие выхода - параметры окружающей среды -атмосферного воздуха: давление р=101300 Па, Т=288 К.

Результаты моделирования. При определении гидравлического сопротивления по тракту вычислялись значения полного давления в характерных сечениях, указанных на рис. 1. Осреднение параметров по сечениям осуществлялось по расходу.

Расчеты проводились для двух режимов работы для каждой компоновки теплоутилизатора (рис. 3): 1) течение газа только через теплообмен-ные секции при закрытых байпасах; 2) течение газа только через открытые байпасы.

Потери полного давления на контрольных участках тракта (рис. 1), для рассмотренных вариантов компоновки представлены в таблице.

Потери полного давления между контрольными сечениями

№ Вариант компоновки Ар!2, Па АР25 , Па АР*4 , Па Ар* 6, Па

1 Вариант А, байпас закрыт 1382 794 683 2179

2 Вариант А, байпас открыт 1448 398 - 2031

3 Вариант Б, байпас закрыт 1317 795 686 2170

4 Вариант Б, байпас открыт 1422 370 - 1956

На рис. 4 представлены результаты 3D-моделирования течения газа в выхлопном тракте ГТД с установленным теплоутилизатором для варианта компоновки Б при закрытом шибере байпаса.

Структура потока в выхлопном тракте и на входе в теплоутилизатор неоднородная, наблюдается существенная неравномерность поля скоростей как в продольном, так и в поперечном сечениях. При течении газа в шахте выхлопа перед теплоутилизатором формируется развитое вихревое течение. В центральной части шахты выхлопа симметрично относительно горизонтальной оси формируются два мощных вихря. Вихревые зоны располагаются несимметрично относительно вертикальной оси шахты, прижимаясь к её задней стенке. Основная часть газа при этом движется к выходу из диффузора вдоль передней стенки шахты. Поток, имеющий струй-

ный характер, образует вихревые зоны на входе в теплообменные секции. Поток, выходящий из теплоутилизатора, имеет значительно более однородную структуру, здесь формируется конфузорное течение (см. рис. 4а).

а

б

Рис. 4. Поля скорости газа в выхлопном тракте для варианта компоновки Б: а - поле модуля скорости в продольном и поперечном сечениях выхлопного тракта; б - поле расходной составляющей скорости на входе в теплообменную секцию

На рис. 4, б представлено поле расходной составляющей скорости (перпендикулярной фронту секции теплоутилизатора) на входе в теплообменник на расстоянии 50 мм от фронта его теплообменной поверхности. Видно, что перед закрытым байпасом наблюдаются вихревые течения. Расходная составляющая скорости непосредственно на входе в теплоути-лизатор для представленного варианта компоновки достаточно равномерная (более равномерная, чем для варианта компоновки А), что способствует более равномерным условиям теплообмена первых рядов труб в тепло-утилизаторе.

Выводы

1. Потеря полного давления на теплоутилизаторе для всех вариантов компоновки при закрытом байпасе составляет около 795 Па, а при открытом байпасе - 370.. .398 Па.

2. Потеря полного давления греющей среды непосредственно на секцию модуля теплоутилизатора примерно одинакова для всех вариантов компоновки и составляет 683...686 Па.

3. Неравномерность поля расходной составляющей скорости греющей среды на входе в теплоутилизатор минимальна для варианта компоновки Б.

4. Лучший из рассмотренных вариантов компоновки - вариант Б, при котором наблюдаются минимальные потери полного давления на всём тракте выхлопа (2170 Па).

Публикация подготовлена при финансовой поддержке по Соглашению о выполнении прикладных научных исследований с Министерством образования и науки Российской Федерации №14.579.21.0031 от 05.06.2014 г. Работа выполнена в Калужском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана. Уникальный идентификатор: RFMEFI57914X0031.

Список литературы

1. Патент РФ 50606 на полезную модель. МПК8 F02C 1/00. Паротурбинная надстройка над газотурбинной установкой / В.М. Смирнов, О.О. Мильман, В.А. Федоров. Опубл. 20.01.2006. Бюл. № 2.

2. Энергосберегающая технология производства электроэнергии при перекачке природного газа по трубопроводной системе / В.А. Федоров, О.О. Мильман, Д.В. Федоров, А.М. Тринога. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 52 с.

3. Hedman B. Status of Waster Heat to Power projects on Natural Gas Pipelines (Status Report). ICF international. Arlington, Virginia, November, 2009.

4. Ольховский Г.Г. Отечественное оборудование для развития газотурбинной энергетики // Теплоэнергетика. 2008. № 6. С. 5-6.

5. Фаворский О.Н., Полищук В.Л. Выбор тепловой схемы и профиля отечественной мощной энергетической ГТУ нового поколения и ПГУ на её основе // Теплоэнергетика. 2010. № 2. С. 2-6.

6. Chen H., Goswami D.Y., Stefanakos E. A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010. №14(9). p. 3059-3067.

7. Ibrahim M.B., Kovach R.M., A Kalina cycle application for power generation // Energy. 1993. V. 18. №. 9. p. 961-969.

8. Dejfors C., Thorin E., Svedberg G. Ammonia-water power cycles for direct-fired cogeneration applications // Energy Conversion and Management. 1998. V. 39. №. 16. P. 1675-1681.

9. Mirzabeygi P., Zhang C. Numerical Analysis of Two Phase Flow and Heat Transfer in Condensers // University of Western Ontario - Electronic Thesis and Dissertation Repository. 2014. P. 2191.

10. Жинов А. А., Шевелев Д.В., Ананьев П. А. Моделирование потерь давления в оребренном трубном пучке воздушного конденсатора // Наука и образование электронный ресурс № 3. DOI: 10.7463/ 0313.0544307.

Жинов Андрей Александрович, канд. техн. наук., доц., зав. кафедрой, jinov@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Шевелев Денис Владимирович, канд. техн. наук., доц., jinov@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана,

Карышев Анатолий Константинович, канд. техн. наук., проф., jinov@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана,

Ананьев Пётр Александрович, вед. конструктор, anpetml@Jist.ru, Россия, Калуга, ЗАО "Научно-производственное внедренческое предприятие "Турбокон"

OPTIMIZATION OF GEOMETRICAL CHARACTERISTICS OF THE TRACT OF HEAT

EXCHANGER OF GAS-TURBINE PLANT

A.A. Zhinov, D.V. Shevelev, A.K. Karyshev, P.A. Anan'ev

Numerical simulation of gas flow in the exhaust tract of gas-turbine plant GPA-C-16 with heat exchanger installed in it is carried out. The analysis of hydraulic characteristics of various configurations of an exhaust path is carried out and their optimization is executed. The gas flow was simulated by solving the conservation equations of mass, momentum and energy with use of volume filters with preformed and preset anisotropic hydraulic properties. The conducted researches allowed to choose optimum configuration of the heat exchanger.

Key words: gas-turbine plant, gas-compressor unit, heat utilization, exhaust tract, heat exchanger.

Zhinov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent,head of chair, jinov@mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Shevelev Denis Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ji-nov@mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Karyshev Anatoliy Konstantinovich, candidate of technical sciences, professor, jinov@,mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Anan'ev Petr Aleksandrovich, leading designer, anpetral@,list.ru, Russia, Kaluga, Scientific production company "Turbocon"

УДК 658.562.01221.7

ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД СОСТАВЛЕНИЯ ПЛАНА ВЫБОРОЧНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО ПРИЕМОЧНОГО

КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

С.Г. Гомбоева, И.Ф. Шишкин, Д.Н. Хамханова

При контроле качества продукции и услуг широко применяются статистические методы контроля качества продукции и услуг. Одна из основных задач при контроле качества статистическими методами - разработка плана контроля. Существующие методы разработки плана контроля имеют ряд недостатков. В связи с этим, авторами предлагается графоаналитический метод составления планов статистического выборочного контроля качества продукции и услуг. В статье рассматривается случай биномиального распределения результатов контроля.

Ключевые слова: выборочный контроль качества, оперативная характеристика, план контроля, выборка с возвратом.

Огромная роль статистических методов в управлении качеством продукции продиктована тем, что статистический контроль является научно обоснованной базой получения, накопления и обработки информации о качестве продукции, состоянии технологических процессов и позволяет построить корректные производственные отношения между изготовителями и потребителями продукции, обеспечивающая достоверность принимаемых решений, затрагивающих интересы обеих сторон.

Одной из основных задач, связанных с применением статистических методов контроля, является задача составления планов выборочного контроля.