close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование гидравлических характеристик выхлопного тракта газотурбинной установки с теплоутилизатором..pdf

код для вставкиСкачать
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 5
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 теплоутилизатор 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.
196
Электротехника
Целью данного исследования являлось получение гидравлических
характеристик выхлопного тракта ГТУ с установленным теплоутилизатором при различных значениях расхода газа через выхлопной тракт. Расчеты проводились для двух вариантов – при течении газа только через теплообменные 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:
∂
( ρui ) = 0 ,
∂xi
(
)
∂
∂p
∂
ρuiu j +
=
τij + τijR + Si ,
∂x j
∂xi ∂x j
(
)
(
)
∂ρui h*
∂u
∂
=
u j (τij + τijR ) − τijR i + ρε + Siui + W ,
∂xi
∂xi
∂xi
197
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 5
где u – скорость потока; p – статическое давление газа; ρ – плотность газа;
∂u
i, j = 1,2,3 – номера осей координат (x, y, z); τij = µt i - тензор касатель∂x j
ных напряжений для осей i, j; τijR – тензор напряжений Рейнольдса для
k2
- турбулентная вязкость в k-ε модели турбулентности;
осей i, j; µt = Cµρ
ε
h* = h +
u2
– энтальпия потока по параметрам торможения; Si – сила, позво2
ляющая моделировать гидравлическое сопротивление (потери давления) в
трубном пучке, создаваемое потоку греющей среды оребрёнными трубками теплоутилизатора; W – тепловая мощность, отбираемая от потока в теплоутилизаторе.
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: ∆p* = f ( G ) , где G – массовый расход газа через
трубный пучок [5].
На расчетную сетку численной модели, полученную на основе 3Dмодели 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 ( Gном
=70 кг/с). Выбор изменения расхода газа основывался на обобщенных характеристиках ГТУ для привода ГПА [6,7]. Температура газа Tг =708 К. В
качестве рабочего тела задавался газ следующего массового состава:
g[Н 2O] =3,6 %; g[O 2 ] =16 %; g[N 2 ] =76 %; g[CO 2 ] =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 pн =101300 Па, Tн =288 К.
198
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 5
Таблица 2
Потери полного давления между контрольными сечениями
(байпас закрыт, шиберы теплоутилизатора открыты)
№
1
2
3
4
5
Gг , кг/с
38,5
49
59,5
70
80,5
*
∆p12
, Па
412
649
1004
1347
1778
*
∆p25
, Па
299
432
596
783
973
*
∆p34
, Па
265
378
521
675
840
*
∆p16
, Па
712
1083
1603
2135
2757
На рис. 4 представлены полученные гидравлические характеристиGi
ки выхлопного тракта ГТУ вида ∆p = f G , где G =
. Определено,
Gном
что в практически важном диапазоне расхода газа через выхлопной тракт
ГТУ ( 0,55Gном < Gi < 1,15Gном ) 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
Электротехника
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
σвых =
p6∗
p1∗
, зависимость которого представлена на рис. 7.
Рис. 6. Потери полного давления в корпусе теплоутилизатора
201
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 5
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 теплоутилизатора, 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: RFMEFI57914X0031.
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.
202
Электротехника
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@bmstukaluga.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 HYDRAULIC CHARACTERISTICS THE EXHAUST DUCT
OF THE GAS TURBINE UNIT WITH HEAT RECOVERY
A.A. Zhinov, D.V. Shevelev, A.K. Karyshev, P.A. Anan'ev
203
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 5
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@bmstukaluga.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"
204
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа