РЕГЕНЕРАТОР ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

2ОО2Ш4236
« . . . .  |„ МКИ Р02С7/08
Регенератор газотурбинной установки
Полезная модель относится к области трубчатых регенераторов газотурбинных установок (ГТУ).
В практике эксплуатации регенеративных ГТУ, оснащенных пластинчатыми регенераторами и имеющих большую эксплуатационную наработку, имеет место задача их модернизации для повышения полезной мощности и КПД, снизившихся вследствие значительных утечек сжатого воздуха из-за потери герметичности регенераторов. Эта задача может быть решена путем замены пластинчатых регенераторов на трубчатые, имеющие существенно большую надежность и сохраняющих герметичность при более длительных сроках эксплуатации. Вследствие этого мощность и КПД ГТУ возрастут. При этом должны удовлетворяться габаритные и весовые ограничения на новое оборудование, связанные с учетом компоновки существующего оборудования и возможностью использования имеющихся опор и фундаментов.
Известен горизонтально ориентированный трубчатый регенератор, содержащий корпус, воздухоподводящий и воздухоотводящий коллекторы, соединенные между собой трубным пучком (см. рис. 6 на стр. 11 в кн. Щуровский В.А., Синицьш Ю.П., Левыкин А.П., Василенко А.В. Опыт и проблемы использования регенераторов на газотурбинных компрессорных станциях: Обзор, информ./ Сер. Транспорт и хранение газа. - М.: Изд. ВНИИЭГАЗПРОМ, 1985. - Вып. 1. - 41 с.). Воздух движется в трубах, греющие продукты сгорания - в межтрубном пространстве. Расчеты регенераторов такой компоновки показывают, что скорость газов в межтрубном пространстве получается слишком большой поэтому гидравлические потери по газовой стороне превосходят допустимые пределы. Кроме того длина труб также весьма велика, что не позволяет разместить такой регенератор в пространстве, которое занимал пластинчатый регенератор. Совокупность этих недостатков делает невозможным применение данного регенератора при модернизации находящейся в эксплуатации ГТУ.
Прототипом предлагаемого регенератора является трубчатый регенератор, содержащий теплообменные трубки, корпус, кольцевые трубные доски, кольцевые и дисковые трубные перегородки, входной и выходной патрубки продуктов сгорания, входной и выходной патрубки воздуха, опоры (см. рис. 5.4 на стр. 155 в кн. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. М.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.). Воздух движется в межтрубном пространстве, греющие продукты сгорания - в трубах. Ходы по воздуху организуются системой трубных перегородок типа диск-кольцо. Воздзос подводится и отводится
патрубками, присоединенными к центральным отверстиям в кольцевых трубных досках. Эти патрубки проходят через камеры подвода и отвода продуктов сгорания, чем сильно их загромождают, а входной патрубок создает аэродинамическую тень, падаюшую на трубный пучок, нарушая тем самым равномерность распределения продуктов сгорания по трубкам. Кроме того, необходимость поворота воздуховодов с бокового направления на осевое (на входе) и в обратном направлении (на выходе) вызывает появление поворотных колен, что, при значительных диаметрах патрубков (порядка одного метра), сильно удлиняет регенератор, вследствие чего затруднительно размещение такого аппарата в пространстве, которое занимал пластинчатый регенератор. Указанные недостатки ограничивают возможность применения данного регенератора при модернизации находящейся в эксплуатации ГТУ.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемого регенератора, заключается в повышении полезной мощности и КПД регенеративной ГТУ, находящейся в эксплуатации, путем модернизации посредством замены пластинчатых регенераторов на трубчатые, обладающие повышенной надежностью. Это достигается тем, что в известном регенераторе, содержащем теплообменные трубки, корпус, кольцевые трубные доски, кольцевые и дисковые трубные перегородки, входной и выходной патрубки продуктов сгорания, входной и выходной патрубки воздуха, опоры, корпус выполнен в виде последовательно соединенных соосных круговых и конических обечаек, причем обечайки утолщены в зонах входа и выхода продуктов сгорания, при этом центральная цилиндрическая обечайка выполнена диаметром, составляющим 1.06... 1.08 диаметра остальных цилиндрических обечаек, а конические обечайки выполнены по образующей, составляющей угол 15.. .20° с осью регенератора, дисковые трубные перегородки прикреплены к корпусу радиальными косынками, на кольцевых трубных досках и на дисковых трубных перегородках с обеих сторон соосно корпусу закреплены конусообразные вставки со сферическими вершинами, причем, вершины вставок, установленных на противоположных сторонах кольцевых трубных досок и дисковых трубных перегородок, направлены противоположно друг другу, при этом на корпусе установлены распределенные по окружности корпуса воздухоподводящий и воздухоотводящий короба, имеющие в плане прямоугольную форму, входной и выходной патрубки воздуха присоединены к воздухоподводящему и воздухоотводящему коробам, причем их оси перпендикулярны к поверхности коробов и проходят через точку пересечения диагоналей коробов, в корпусе выполнены воздухоподводящее и воздухоотводящее окна, имеющие форму эллипсов, причем малые оси эллипсов параллельны оси корпуса, а центры эллипсов совпадают с точкой пересечения диагоналей воздухоподводящего и
воздухоотводящего коробов, внутри корпуса симметрично входному патрубку воздуха установлен перфорированный отбойный щит, занимающий по окружности угол 50...60°, входной патрубок воздуха установлен со стороны выхода продуктов сгорания, а выходной патрубок воздуха установлен со стороны входа продуктов сгорания, трубные промежуточные перегородки установлены с шагом увеличивающимся по ходу воздуха, входной патрубок продуктов сгорания выполнен в виде неправильного усеченного конуса с круговыми основаниями, причем больщее основание присоединено к корпусу, а оси оснований параллельны оси корпуса и смещены относительно друг друга, выходной патрубок продуктов сгорания выполнен в виде перехода с круга на прямоугольник, причем круговая часть патрубка присоединена к корпусу регенератора, а большая сторона прямоугольной части ориентирована вертикально, опоры выполнены седловыми, их плоскости перпендикулярны оси регенератора и смещены относительно трубных досок к центру масс регенератора на расстояние не менее двух толщин кольцевых трубных досок.
Выполнение корпуса в виде последовательно соединенных соосных круговых и конических обечаек, с утолщением обечаек в зонах входа и выхода продуктов сгорания, а также выполнение центральной цилиндрической обечайки диаметром, составляющим 1.06... 1.08 диаметра остальных цилиндрических обечаек, обеспечивает прочность и поперечную жесткость конструкции регенератора в целом, создает в зонах размещения кольцевых трубных досок на краях корпуса опорные пояса, а в центральной части регенератора - увеличенный зазор между корпусом и дисковой трубной перегородкой для прохода воздуха. Сочетание конических обечаек, выполненных по образующей, составляющей угол 15...20° с осью регенератора, и центральной цилиндрической обечайки создает пояс продольной податливости для компенсации взаимных тепловых перемещений корпуса и трубного пучка. Крепление дисковых трубных перегородок к корпусу радиальными косынками, реализует принцип радиально-лучевого центрирования трубных перегородок относительно корпуса, а косынки служат кроме того для направления движения воздуха по оси регенератора. Установка на противоположных сторонах кольцевых трубных досок и дисковых трубных перегородок с обеих сторон соосно корпусу конусообразных вставок со сферическими верщинами, с ориентацией этих вершин противоположно друг другу обеспечивает со стороны набегания равномерную подачу теплоносителей: продуктов сгорания - к трубному пучку, а воздуха - в межтрубное пространство, а со стороны схода потока - отсутствие застойных и отрывных зон. Это увеличивает теплоотдачу и уменьщает гидравлическое сопротивление обоих трактов теплоносителей. Установка на корпусе распределенных по окружности корпуса воздухоподводящего и воздухоотводящего коробов, имеющих в плане прямоугольную форму, с
присоединением перпендикулярно к их поверхности входного и выходного
патрубков воздуха, выполнение в корпусе воздухоподводящего и
воздухоотводящего окон, имеющих форму эллипсов, малые оси которых
параллельны оси корпуса, а центры совпадают с точкой пересечения
диагоналей воздухоподводящего и возд)оотводящего коробов, а также
установка внутри корпуса симметрично входному патрубку воздуха
перфорированного отбойного щита, занимающего по окружности угол
50...60°, создают условия равномерной раздачи и сбора воздуха во
внутреннем межтрубном пространстве, что увеличивает теплоотдачу,
уменьшает гидравлическое сопротивление воздушного тракта и
выравнивает температурные поля по окружности деталей регенератора.
Отбойный щит кроме того защищает первые ряды труб со стороны входа
воздуха от воздействия струи воздуха, втекающего из подводящего
патрубка, повышая тем самым надежность регенератора. Размещение
входного и выходного патрубков воздуха вне регенератора на его боковой
поверхности сокращает его осевую длину. Установка входного патрубка
воздуха со стороны выхода продуктов сгорания, а выходного патрубка
воздуха - со стороны входа продуктов сгорания, обеспечивает создание
общего противотока теплоносителей в регенераторе, что позволяет
максимально использовать располагаемый температурный напор, тем
самым уменьшить требуемую площадь поверхности теплообмена.
Установка трубных промежуточных перегородок с шагом
увеличивающимся по ходу воздуха учитывает рост удельного объема
воздуха по мере его нагрева при прохождении вдоль теплообменной
поверхности и, обеспечивая изокинетичность течения, уменьшает
гидравлическое сопротивление воздушного тракта, кроме того различие
шагов между перегородками приводит к рассогласованию собственных
частот пролетов труб. Выполнение входного патрубка продуктов сгорания
в виде неправильного усеченного конуса с круговыми основаниями, когда
большее основание присоединено к корпусу, а оси оснований параллельны
оси корпуса и смещены относительно друг друга, позволяет совместить
ось регенератора с осями уже существующего оборудования - газохода
продуктов сгорания, блока водяных утилизаторов и выхлопной трубы - за
счет подбора величины смещения осей оснований относительно друг
друга. Выполнение выходного патрубка продуктов сгорания в виде
перехода с круга на прямоугольник, когда круговая часть патрубка
присоединена к корпусу регенератора, а большая сторона прямоугольной
части ориентирована вертикально, позволяет скомпоновать регенератор с
уже существующим оборудованием - блоком водяных утилизаторов и
выхлопной трубой, а также обеспечить сбор и отвод продуктов сгорания на
выходе регенератора с минимальными гидравлическими потерями.
регенератора по поверхностям сопряжения корпуса и опор и не создает зон концентрации нагрузок, а смещение опор относительно кольцевых трубных досок к центру масс регенератора на расстояние не менее двух толщин трубных досок позволяет развести зоны сварных швов: внутренних, соединяющих корпус с трубными досками, и внешних, соединяющих корпус с седловыми опорами.
На фигЛ изображен предлагаемый регенератор. На позиции а) представлен продольный разрез регенератора, на позиции б) представлен вид на регенератор по его оси со стороны выходного патрубка продуктов сгорания, на позиции в) представлен вид на регенератор сверху, на позиции г) представлен вид по оси входного патрубка воздуха, на позиции д) представлен вид по оси выходного патрубка воздуха.
Нредлагаемый регенератор содержит (см фиг. 1 а, б, в, г, д) теплообменные трубки (1), корпус (2), кольцевые трубные доски (3), кольцевые (4) и дисковые (5) трубные перегородки, входной (6) и выходной (7) патрубки продуктов сгорания, входной (8) и выходной (9) патрубки воздуха, круговые (10) и конические (11) обечайки корпуса, центральную цилиндрическую обечайку (12), радиальные косынки (13), конусообразные вставки со сферическими вершинами (14), воздухоподводящий (15) и воздухоотводящий (16) короба, воздухоподводящее (17) и воздухоотводящее (18) эллиптические окна, перфорированный отбойный щит (19), седловые опоры (20).
Устройство работает следующим образом. Продукты сгорания поступают от газовой турбины ГТУ во входной патрубок (6) и, плавно расходясь вокруг конусообразной вставки со сферической вершиной (14), втекают внутрь трубок (1). Из трубок продукты сгорания, безотрывно обтекая конусообразную вставку со сферической вершиной (14), переходят в выходной патрубок продуктов сгорания (7). Далее продукты сгорания могут поступать в блок водяных утилизаторов и в выхлопную трубу. Протекая по трубкам, продукты сгорания отдают им теплоту. Воздух, сжатый в компрессоре ГТУ, по входному патрубку (8) поступает в воздухоподводящий короб (15) и через воздухоподводящее эллиптическое окно (17), обойдя перфорированный отбойный щит (19), втекает в первый ход межтрубного пространства регенератора, равномерно распределяясь при этом по окружности. Безотрывно обтекая кольцевые (4) и дисковые (5) трубные перегородки, снабженные конусообразными вставками со сферической вершиной (14) , воздух проходит по ходам межтрубного пространства. При прохождении уширения корпуса, образованного коническими (11) и центральной цилиндрической (12) обечайками, движение воздуха направляется по оси регенератора радиальными косынками (13), поддерживающими дисковую трубную перегородку (5). Пройдя последний ход межтрубного пространства, воздух через воздухоотводящее эллиптическое окно (18), обеспечивающее
равномерность сбора воздуха по окружности, поступает в воздухоотводящий короб (16), из которого по выходному патрубку (9) отводится в камеру сгорания ГТУ. При обтекании трубок воздух воспринимает теплоту, отданную продуктами сгорания, чем и достигается функциональная цель работы регенератора как теплообменного аппарата.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели и достижения технического результата основывается на том, что в конструкции регенератора реализован ряд мер по повышению теплопередачи, снижению гидравлического сопротивления трактов, повышению надежности регенератора, повышению компактности, минимизации веса, обеспечению приспособляемости конструкции к встраиванию в суш;ествующую компоновку.
Теплопередача в регенераторе обеспечивается на высоком уровне противотоком теплоносителей за счет установки входного патрубка воздуха со стороны выхода продуктов сгорания, а выходного патрубка воздуха - со стороны входа продуктов сгорания, а также равномерным распределением теплоносителей по поверхности теплообмена за счет установки на противоположных сторонах трубных досок и дисковых трубных перегородок с обеих сторон соосно корпусу конусообразных вставок со сферическими вершинами, с ориентацией этих вершин противоположно друг другу и за счет выполнения в корпусе воздухоподводяш;его и воздухоотводяш;его окон, имеющих форму эллипсов, малые оси которых параллельны оси корпуса, а центры совпадают с точкой пересечения диагоналей воздухоподводящего и воздухоотводящего коробов.
Гидравлическое сопротивление трактов регенератора минимизируется изокинетичностью течения воздуха в межтрубном пространстве за счет установки трубных промежуточных перегородок с шагом увеличивающимся по ходу воздуха, безотрывностью обтекания трубных досок и трубных перегородок за счет установки на противоположных сторонах трубных досок и дисковых трубных перегородок с обеих сторон соосно корпусу конусообразных вставок со сферическими вершинами, с ориентацией этих вершин противоположно друг другу, а также организацией плавного выхода продуктов сгорания из регенератора за счет выполнения выходного патрубка продуктов сгорания в виде перехода с круга на прямоугольник, когда круговая часть патрубка присоединена к корпусу регенератора, а большая сторона прямоугольной части ориентирована вертикально.
Надежность самого слабого элемента регенератора теплообменных труб - обеспечивается рассогласованием собственных частот пролетов труб в ходах за счет установки трубных промежуточных перегородок с шагом увеличивающимся по ходу воздуха, снижением осевых динамических термических нагрузок на трубки за счет создания на
корпусе пояса податливости в виде сочетания конических обечаек, выполненных по образующей, составляющей угол 15...20° с осью регенератора с центральной цилиндрической обечайкой, исключением аэродинамического воздействия воздуха на трубки при входе в регенератор за счет установки внутри корпуса симметрично входному патрубку воздуха перфорированного отбойного щита, занимающего по окружности угол 50.. .60°.
Компактность регенератора, с целью встраивания его в компоновку существующего оборудования, обеспечивается сокращением осевой длины входного и выходного патрубков продуктов сгорания за счет установки вне регенератора на его корпусе распределенных по окружности корпуса воздз соподводящего и воздухоотводящего коробов, имеющих в плане прямоугольную форму, с присоединением перпендикулярно к их поверхности входного и выходного патрубков воздуха.
Минимизация веса регенератора, с целью размещения на имеющихся опорах и фундаментах, обеспечивается минимизацией требуемой площади поверхности теплообмена, то есть массы труб, за счет повыщения теплопередачи, что описано выше, проведением принципа равнопрочности и равножесткости конструктивных элементов за счет выполнения корпуса в виде последовательно соединенных соосных круговых и конических обечаек, с увеличением толщины обечаек в зонах входа и выхода продуктов сгорания, а также выполнением центральной цилиндрической обечайки диаметром, составляющим 1.06... 1.08 диаметра остальных цилиндрических обечаек, удалением лищней массы деталей толстостенные трубные перегородки выполнены кольцевыми, а отверстия в них закрыты установленными на них тонкостенными конусообразными вставками.
Приспособляемость конструкции регенератора к встраиванию в существующую компоновку обеспечена выполнением входного патрубка продуктов сгорания в виде неправильного усеченного конуса с круговыми основаниями, когда большее основание присоединено к корпусу, а оси оснований параллельны оси корпуса и смещены относительно друг друга, - за счет подбора величины этого смещения возможно совмещение осей регенератора и существующего оборудования, кроме того выполнение выходного патрубка продуктов сгорания в виде перехода с круга на прямоугольник, когда круговая часть патрубка присоединена к корпусу регенератора, а большая сторона прямоугольной части ориентирована вертикально, также позволяет скомпоновать регенератор с уже существующим оборудованием - блоком водяных утилизаторов и выхлопной трубой.
Повышение надежности теплообменных труб регенератора позволяет разрешить проблему утечек сжатого компрессором ГТУ воздуха. В негерметичном регенераторе возможны утечки до 3% (и более)
расхода воздуха (см. стр. 23 в указанной выше кн. Щуровский В.А., Синицын Ю.Н. и др.). Исключение таких утечек за счет применения предлагаемой полезной модели приведет к повышению мош;ности и КПД ГТУ. Уровень этих полезных эффектов может быть оценен по известным методикам (см. стр. 26-28 в кн. Терентьев А.Н., Седых З.С. Ремонт газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. - М.: Недра, 1985. - 232 с. и стр. 137-139 в кн. Щуровский В.А., Зайцев Ю.А. Газотурбинные газоперекачиваюп1;ие агрегаты. - М.: Недра, 1994. - 192 с.). По данным этих источников для ГТУ мош;ностью 10 МВт коэффициент влияния утечки воздуха, на КПД составляет 1.7, а коэффициент влияния утечки воздуха на мощность составляет 3.7. Это означает, что устранение утечки воздух в 3% повысит КПД ГТУ на 5.1% (относительных), а мощность - на 11.1 %.
Возможность достижения перечисленных выше полезных эффектов подтверждается результатами длительной эксплуатации аналогов предлагаемого регенератора. Известны данные (см. стр. 12 в указанной выше кн. Щуровский В.А., Синицын Ю.Н. и др.) об эксплуатации без аварий и специального обслуживания в течение 40 тыс. часов трубчатого регенератора разработки фирмы GEA (Германия), принятого в качестве прототипа.
По описанной полезной модели выполнен проект регенератора, принятый к реализации и внедрению на газотранспортном предприятии. Тепло-гидравлические расчеты, выполненные для спроектированного регенератора показали, что суммарное гидравлическое сопротивление его трактов не превышает 5.3%, степень регенерации не ниже 0.7. Такие показатели достаточны для регенератора, предназначенного для замещения существующего регенератора с учетом габаритных и весовых ограничений. Проведенные для данного регенератора расчеты статической и длительной прочности, выполненные по нормативным методикам (ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность, ГОСТ 25859-83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках, РД 26-14-88 « Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность элементов теплообменных аппаратов), показали, что его конструкция выдержит не менее 5000 циклов нагружения и сохранит работоспособность в течение не менее 100000 часов.
Изложенное доказывает возможность достижения технического результата от применения предлагаемого регенератора, заключающегося в повышении полезной мощности и КПД регенеративной ГТУ, находящейся в эксплуатации, путем модернизации посредством замены пластинчатого регенератора на предлагаемый трубчатый, обладающий повышенной надежностью и высокой эффективностью.