Исследование гидравлических характеристик выхлопного тракта газотурбинной установки с теплоутилизатором

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.438

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫХЛОПНОГО ТРАКТА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРОМ

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

Проведено численное моделирование течения газа в выхлопном тракте газотурбинной установки с установленным в нём теплоутшизатором. Проведен анализ гидравлических характеристик выхлопного тракта в зависимости от расхода газа. Течение газа моделировалось решением уравнений сохранения массы, импульса и энергии с применением объёмных фильтров с предварительно полученными и заданными анизотропными гидравлическими свойствами. Проведенные исследования могут быть использованы при расчете характеристик ГТУ с теплоутшизатором при работе на переменных режимах.

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

В настоящее время большинство энергетических газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с мощностями от 6 до 50 МВт работают по простому циклу Брайтона и, следовательно, тепловая энергия газов, покидающих установку, полностью теряется в окружающую среду. Потери тепла с уходящими газами ГТУ ГПА только в масштабах России составляют огромную величину - порядка 80 ГВт [1]. Для полезного использования этой теплоты разрабатываются различные утилизационные технологии.

Известно большое количество способов утилизации тепла горячих выхлопных газов [2]. Наиболее отработанной и распространенной технологией утилизации тепла выхлопных газов ГТУ является создание парогазовых установок (ПГУ). В НПВП «Турбокон» разработана усовершенствованная схема ПГУ (рис. 1), работающая по циклу Брайтона-Ренкина [3], в которой продукты сгорания передают в теплообменном аппарате (тепло-утилизаторе) своё тепло воде высокого давления с последующим её кипением в расширителе и выделением пара для работы паровой турбины.

195

Предложенная НПВП «Турбокон» схема позволяет упростить конструкцию и уменьшить массу и размеры теплоутилизатора, снизить потери полного давления по сравнению с классическим котлом-утилизатором.

Утилизационный теплообменный аппарат должен характеризоваться компактностью и простотой конструкции при высокой общей энергоэффективности. Если рассматривать утилизационный теплообменный аппарат как элемент выхлопного тракта ГТУ, то важным является минимизация его гидравлических потерь, которые складываются из потерь полного давления в трубном пучке утилизатора и потерь в подводящих и отводящих каналах. При проектировании теплоутилизационной надстройки газотурбинного двигателя необходим обоснованный выбор оптимальной компоновки теплообменного аппарата в выхлопном тракте двигателя и его эффективная работа в широком диапазоне режимов.

Рис. 1. Схема парогазовой установки с расширителем: К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; Н - нагнетатель природного газа; ТА - теплообменный аппарат; ПТ - паровая турбина; Р - расширитель; ВК - воздушный конденсатор; ПН - питательный

насос; ЭГ - электрогенератор

1. Постановка задачи. Исследовалось пространственное течение газа в выхлопном тракте газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16 (двигатель ГТУ-16ПЦ). Выхлопной тракт установки, показанный на рис. 2, включает в себя улитку с осерадиальным диффузором 1, и выхлопную шахту, представляющую собой диффузорный канал прямоугольного сечения 2. Для выравнивания параметров потока, в выходном сечении диффузора выходной шахты установлен успокоитель 3. На диффузор выходной шахты устанавливается либо штатный шумоглушитель, либо теплоутили-затор 4, выполняющий также функции шумоглушителя.

Теплоутилизатор, разработанный НПВП «Турбокон», состоит из двух параллельно установленных секций с оребренными трубными пучками. В работе [4] обоснован представленный оптимальный вариант компоновки секций теплоутилизатора в корпусе.

Целью данного исследования являлось получение гидравлических характеристик выхлопного тракта ГТУ с установленным теплоутилизато-ром при различных значениях расхода газа через выхлопной тракт. Расчеты проводились для двух вариантов - при течении газа только через теп-лообменные секции при закрытом шибере байпаса, и течение газа только через открытый байпас при закрытых шиберах теплоутилизатора.

Рис. 2. Выхлопной тракт ГПА с установленным теплоутилизатором: 1 - улитка; 2 - диффузор; 3 - успокоитель; 4 - теплоутилизатор;

5 - шибер байпаса; 6 - шиберы теплоутилизатора; 7 - корпус

теплоутилизатора

2. 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:

аХ"{ри')= ^ Ь)+'

*

дощН д / я Л я ди ТТГ

=ах: (и > Н аЦ"+рЕ++№ •

197

где u - скорость потока; р - статическое давление газа; р - плотность газа;

. - _ „ . , дuj

I, ] = 1,2,3 - номера осей координат (х, у, z); = т—- - тензор касатель-

дх7

п

ных напряжений для осей ¡, 7; - тензор напряжений Рейнольдса для к 2

осей /, 7; т = Сцр--турбулентная вязкость в к-е модели турбулентности;

^ е

к = к+^- энтальпия потока по параметрам торможения; - сила, позволяющая моделировать гидравлическое сопротивление (потери давления) в трубном пучке, создаваемое потоку греющей среды оребрёнными трубками теплоутилизатора; Ж - тепловая мощность, отбираемая от потока в теп-лоутилизаторе.

Для рассматриваемого теплоутилизатора, установленного в выхлопной тракт ГТУ, теплообменные поверхности моделировались в виде объёмных фильтров с заданными анизотропными гидравлическими свойствами [5].

В области анизотропного фильтра задавалось следующее воздействие на поток:

1. Теплоотбор, моделирующий охлаждение газа при прохождении его через теплообменную поверхность. Теплоотбор введён для учёта влияния изменения свойств охлаждающегося газа (плотность, вязкость и т.д.) на характеристики течения.

2. Нулевое значение компонентов скорости, перпендикулярных ребрам оребрённого трубного пучка, в секциях теплоутилизатора.

3. Гидравлическое сопротивление трубного пучка, определяемое

характеристикой вида: Ар = / (О), где G - массовый расход газа через

трубный пучок [5].

На расчетную сетку численной модели, полученную на основе 3Б-модели выхлопного тракта, накладывались следующие граничные условия:

1. Граничное условие входа - осевой вход потока из выхлопного патрубка газовой турбины в осерадиальный диффузор улитки. Расход рабочего тела изменялся в диапазоне от 0,55 до 1,15 от номинального (Сном

=7° кг/с). Выбор изменения расхода газа основывался на обобщенных характеристиках ГТУ для привода ГПА [6,7]. Температура газа Тг =708 К. В качестве рабочего тела задавался газ следующего массового состава: ^0]=3,6 %; ^]=16 %; £^2]=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 рн =101300 Па, Тн =288 К.

3. Результаты моделирования. При определении гидравлического сопротивления по тракту вычислялись значения полного давления в характерных сечениях, показанных на рис. 3. Осреднение параметров по сечениям осуществлялось по расходу.

Значения потерь полного давления между контрольными сечениями для режимов с открытым байпасом и закрытыми шиберами теплоутилиза-тора представлены в таблице 1, а для режимов с закрытым байпасом и открытыми шиберами теплоутилизатора в таблице 2, при различных расходах газа через выхлопной тракт.

Рис. 3. Положение характерных сечений определения полного давления по тракту

Таблица 1

Потери полного давления между контрольными сечениями

№ СТ, кг/с 4Р12 >Па аР25 > Па А^б,Па

1 38,5 409 125 542

2 49 650 196 849

3 59,5 1018 299 1336

4 70 1367 408 1801

5 80,5 1745 527 2305

Таблица 2

Потери полного давления между контрольными сечениями

№ Ог, кг/с Ар*2, Па АР25, Па Ар34, Па Ар*6, Па

1 38,5 412 299 265 712

2 49 649 432 378 1083

3 59,5 1004 596 521 1603

4 70 1347 783 675 2135

5 80,5 1778 973 840 2757

На рис. 4 представлены полученные гидравлические характеристи-

___ О,

ки выхлопного тракта ГТУ вида Ар = / (о), где О = —г—. Определено,

Оном

что в практически важном диапазоне расхода газа через выхлопной тракт ГТУ (0,550ном < ОI < 1,150ном) гидравлическая характеристика его практически линейная. На режимах с открытым шибером байпаса, потери полного давления выхлопного тракта уменьшаются на 15...16 %.

Наибольший вклад в гидравлическое сопротивление выхлопного тракта вносят потери полного давления в улитке и диффузоре, что наглядно демонстрирует их зависимость от расхода на рис. 5.

Как следует из рис. 5, обратное влияние течения газа в корпусе теплоутилизатора (как при открытом, так и при закрытом шибере байпаса) на течение в улитке и диффузоре отсутствует, потери полного давления практически не изменяются.

Рис. 4. Гидравлические характеристики выхлопного тракта ГТУ

200

Рис. 5. Потери полного давления в улитке и диффузоре

Влияние режима работы теплоутилизатора на потери в выхлопном тракте иллюстрирует рис. 6. Открытие шибера байпаса и, соответственно, закрытие шиберов теплоутилизатора, уменьшает потери полного давления в корпусе теплоутилизатора на 48...50 %.

При расчете характеристик ГТУ на переменных режимах работы потери полного давления обычно задаются не их абсолютной величиной, а

относительной - коэффициентом восстановления полного давления

*

авых = Р**, зависимость которого представлена на рис. 7.

Р*

Рис. 6. Потери полного давления в корпусе теплоутилизатора

201

в

Рис. 7. Коэффициент восстановления полного давления выхлопного тракта ГТУ с теплоутилизатором

Выводы:

1. Потеря полного давления выхлопного тракта рассмотренной ГТУ с теплоутилизатором по схеме ЗАО НПВП «Турбокон» на номинальном режиме работы при закрытом байпасе составляет 2135 Па, а при открытом байпасе - 1800 Па, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к выхлопной системе ГТУ ГПА с утилизационным теплообменным аппаратом (< 4000 Па) [8].

2. Гидравлическая характеристика выхлопного тракта ГТУ в практически важном диапазоне изменения расхода газа практически линейна как при открытом байпасе теплоутилизатора, так и при закрытом.

3. Наибольший вклад (более 60 %) в гидравлическое сопротивление выхлопного тракта вносят потери полного давления в улитке и диффузоре.

4. Обратного влияния течения газа в корпусе теплоутилизатора на течение газа в улитке и диффузоре не установлено.

5. Течение газа через байпас, при закрытых шиберах теплоутилиза-тора, уменьшает потери полного давления выхлопного тракта на 15.. .16 %.

Публикация подготовлена при финансовой поддержке работ 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: КРМЕЕ157914Х0031.

Список литературы

1. Забелин Н.А., Лыков А.В., Рассохин В. А. Оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов газоперекачивающих агрегатов единой системы газоснабжения России // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. № 4-1 (183). 2013. С. 136-143.

2. Жинов А. А., Карышев А.К., Шевелев Д.В. Перспективные технологии утилизации тепла выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов [электронный ресурс] // Электронный журнал: наука, техника и образование. 2015. № 4. URL: http://nto-journal.ru/catalog/mashinostroenie/93/ (Дата опубликования 25.12.2015).

3. Паротурбинная надстройка над газотурбинной установкой. Патент РФ на полезную модель №50606 от 20.01.2006г. Смирнов В.М., Мильман О.О., Федоров В.А.

4. Жинов А.А., Шевелев Д.В., Карышев А.К., Ананьев П.А. Оптимизация геометрических характеристик газового тракта теплоутилизатора газотурбинной установки. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 27 -26.

5. Жинов А.А., Шевелев Д.В., Ананьев П.А. Моделирование потерь давления в оребренном трубном пучке воздушного конденсатора // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. №3. 2013. С. 105116.

6. Щуровский В. А., Корнеев В.И. Обобщенные характеристики газотурбинных установок с разрезным валом, используемых для привода нагнетателей природного газа // Реф. Сб. «Транспорт и хранение газа». М.: ВНИИЭгазпром, №2, 1974. С. 8-12.

7. Кротов С.И. Уточнение обобщенных характеристик газотурбинных установок // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», №3, 2013. С. 217-227.

8. СТО Газпром 2-3.5-138-2007. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам.

Жинов Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Шевелев Денис Владимирович, канд. техн. наук, доц., k1kf@,bmstu-kaluga.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Карышев Анатолий Константинович, канд. техн. наук., проф., k1kf@,bmstu-kaluga.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

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

RESEARCH OF HYDRA ULIC CHARACTERISTICS THE EXHA USTDUCT OF THE GAS TURBINE UNIT WITH HEAT RECOVERY

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

203

Numerical modeling of the gas flow in the exhaust path of the gas turbine set with a heat exchanger. Analysis of the hydraulic characteristics of the exhaust tract depending on gas mass flow. 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 studies can be used to calculate the characteristics of the gas turbine with heat recovery.

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

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

Shevelev Denis Vladimirovich, candidate of technical science, docent, k1kf@,bmstu-kaluga.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University.

Karyshev Anatoliy Konstantinovich, candidate of technical science, professor, k1kf@,bmstu-kaluga. 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"