ВОЗДУХООЧИСТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН. АНАЛИЗ И ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ.

Проволович О.В.
Технический директор ООО «НПП «ФОЛТЕР», к.т.н.

Последние двадцать лет в России идет бурный рост применения газотурбинных установок (ГТУ) в энергетике, где с помощью них в сравнительно короткие сроки решается вопрос увеличения мощности поставки электроэнергии.

По аналогичному пути идут крупные промышленные предприятия, закрывая, таким образом, потребность в энергетических мощностях и одновременно сокращая свои риски от роста тарифов электроэнергии, покупаемой на рынке.

Традиционным и многолетним потребителем ГТУ является ПАО «Газпром», который обеспечивает транспортировку природного газа по всей стране, а также крупномасштабные поставки газа зарубежным потребителям.

Необходимо отметить, что в последние годы активизировалось строительство газопроводов в Европу, Китай, Турцию.

Основой Единой системы газопроводов ПАО «Газпром» являются газоперекачивающие станции, на которых транспортировка газа осуществляется с помощью ГТУ различной мощности. Причем наряду с отечественным ГТУ в проектах используются и ГТУ зарубежных производителей, таких как Siemens и GE Energy.

ГТУ являются потребителями большого количества атмосферного воздуха, который необходим для процесса горения газа в ГТУ. Так как для работы ГТУ мощностью 25 МВт требуется около 260 тыс. м?/ч воздуха, а для самых мощных ГТУ (около 400 МВт) потребность воздуха составляет 2.5 млн. м?/ч.

Атмосферный воздух всегда содержит какое-то количество пылевых частиц естественного происхождения, связанного с эрозией почв, генерацией различных пылей, растениями (пух тополей, одуванчиков, пыльца и т.д.). Дополнительное загрязнение воздуха вызывается техногенными факторами, связанными с жизнедеятельностью человека (выхлопы от автотранспорта, вентиляционные выбросы промышленных предприятий и т.д.). Это приводит к тому, что воздух, содержащий пылевые частицы, попадает к движущимся и вращающимся элементам газотурбинных и компрессорных установок. Особенно характерен абразивный износ для лопаток газовых турбин, который влечет снижение к.п.д. всей газотурбинной установки.

Загрязнение элементов газотурбинных установок приводит к дополнительным затратам, связанным с разборкой и очисткой этих элементов.

По указанным выше причинам возникает необходимость высокоэффективной очистки циклового воздуха в газовых турбинах.

Для решения этой задачи применяются специальные воздухоочистные устройства ВОУ. ВОУ представляют собой, как правило, отдельно стоящее сооружение, соединенное воздушным трактом с газотурбинной установкой. Воздухозабор в ВОУ осуществляется на высоте, как правило, не менее 8-10 метров. Во входной части ВОУ размещаются элементы, которые защищают его от воздействия прямых атмосферных осадков (дождя и снега) с помощью специальных козырьков, жалюзийных каплеуловителей и т.п.

Как отмечалось выше задачей ВОУ является высокоэффективная очистка больших объемов воздуха с помощью различных фильтрующих элементов, производительность которых колеблется в диапазоне от 2 до 5 тыс. м?/ч.

В связи с этим ВОУ представляют собой крупногабаритные металлоконструкции массой от нескольких десятков до нескольких сотен тонн.

Поэтому перед разработчиками ВОУ стоит задача создания фильтрующих систем, которые являются основой ВОУ, позволяющих сокращать габариты и вес ВОУ.

В настоящее время в России установлено несколько сотен ГТУ зарубежного производства всех известных энергетических компаний GE Energy, Siemens, Alstom, Ansaldo, Mitsubishi и др. единичной мощностью от 30 до 400 МВт, а также ГТУ отечественного производства мощностью от 6 до 110 МВт.

В предлагаемом анализе будут рассмотрены ГТУ мощностью более 30 МВт, для очистки воздуха которых применяют ВОУ массой более 25-30 тонн.

Системы фильтрации в ВОУ делятся на два типа.
- 1-ая: многоступенчатая система с фильтрами накопительного типа;
- 2-ая: с самоочищающимися импульсными фильтрами, которые в большинстве случаев работают как накопительные фильтры, и их общая доля составляет 3-5% от всех ВОУ России.

С учетом этого весь дальнейший анализ будет посвящен ВОУ со статическими накопительными фильтрами.

Система с фильтрами накопительного типа представляет собой двух-, трех- или четырехступенчатые системы фильтрации, в которых, как правило, на входе в ВОУ устанавливаются фильтры влагоуловители, а за ними очистку воздуха обеспечивают 2 или 3 ступени фильтров с финишной очисткой классов F8 или F9. Здесь нужно отметить, что в последние годы в качестве финишных фильтров начинают применяться более эффективные фильтры классов E10-E12.

Фильтры, которые устанавливаются перед финишными фильтрами, обеспечивают защиту финишной ступени от крупнодисперсной пыли, увеличивая ее срок службы.

Все фильтры: влагоуловители, грубой (ФГО), тонкой (ФТО) и финишной очистки устанавливаются в металлические панели сотовой конструкции, которые размещаются пошагово в конструкции ВОУ. Общее количество фильтров каждой ступени в ВОУ разной производительности колеблется от 100 до 600 штук, что требует значительных объемов для их размещения и приводит к созданию ВОУ большой массы.

Единичный фильтрующий элемент ВОУ, как правило, имеет габаритные размеры по входному сечению 592х592 мм и производительность от 3000 до 5000 м?/ч.

Описанное выше показывает, что для уменьшения габаритов и массы ВОУ необходимо применять высокопроизводительные и компактные системы фильтрации.

Для сокращения габаритов ВОУ применяется совмещение двух или трех ступеней на одной панели для установки фильтров.

---

---

---

---

---

---

На рис. 1 – рис. 5 показаны пять вариантов совмещенных систем фильтрации в ВОУ применяемых в настоящее время.

4 и 5 варианты, разработанные НПП «Фолтер», из приведенных выше отличает более высокий ресурс и пониженное сопротивление за счет применения фильтров грубой очистки с большой поверхностью фильтрации, что позволяет повысить срок службы фильтров и сократить эксплуатационные издержки при работе ГТУ.

Анализируя все ВОУ, эксплуатирующиеся с зарубежными ГТУ и фильтрами накопительного типа, их можно разделить на две группы

Первый тип ВОУ, в котором система фильтрации расположена перпендикулярно направлению воздушного потока воздуха (рис. 6). Такими ВОУ оснащают свои ГТУ фирмы Simens, Ansaldo, Alstom, Mitsubishi и др.

---

---

---

ВОУ такой конструкции производятся с односторонним или трехсторонним входом воздуха (рис. 7).

Во втором типе ВОУ система фильтрации установлена в виде W-образной системы, где воздушные фильтры установлены под углом к направлению потока воздуха (рис. 8).

Такая конструкция ВОУ разработана фирмой AAF (США) и ее использует фирма GE Energy для оснащения своих ГТУ.

ВОУ описанной конструкции (рис. 8) эксплуатируются на Вологодской ТЭЦ, Сызранской ТЭЦ, Новомосковской ГРЭС и др. и в качестве системы фильтрации они используют совмещенную схему размещения фильтров грубой и тонкой очистки, соответствующей варианту 1 (рис. 1).

---

---

В последние несколько лет фирма GE Energy стала применять в W-образной системе совмещенные фильтры грубой и тонкой очистки по варианту 3 (рис. 3) (Казанская ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 (рис. 9)).

Для сравнения различных конструктивных решений ВОУ между собой автором предлагается введение показателя Удельной металлоемкости, то есть отношения массы ВОУ без воздушного тракта от ВОУ до ГТУ к номинальному объему очищаемого воздуха.

---

---

В табл. 1 приведены показатели удельной металлоемкости трех основных конструктивных типов ВОУ и относительное снижение металлоемкости по сравнению с наихудшим по Му.

№ п/п	Тип ВОУ	Му, г/м?/ч	Снижение металлоемкости относительно ВОУ по п.1, %
1.	Трехсторонний вход воздуха (ГТУ-160 МВТ).	79	-
2.	Односторонний вход воздуха (ГТУ 160 МВТ).	70	11
3.	Односторонний вход воздуха с W-образной системой AAF (ГТУ 77-400 МВт).	55-65	25-30

 

При сравнении приведенных данных видно, что при «лобовой» установке системы фильтрации ВОУ с односторонним входом воздуха оно легче ВОУ с трехсторонним входом на 11%, а ВОУ с W-образной системой легче на 25-30%.

Как известно снижение металлоемкости ВОУ практически линейно снижает его стоимость, что позволяет существенно снизить капитальные затраты при строительстве ГТУ.

Проведенный анализ также показал, что скорость в ВОУ с «лобовой» установкой систем фильтрации составляет около 2 м/с, а с W-образной системой около 4 м/с, что позволяет сделать вывод о необходимости разработки ВОУ с максимально возможной скоростью воздуха в живом сечении ВОУ при выполнении всех основных технических требований (аэродинамическое сопротивление, эффективность очистки) к системам фильтрации.

Основываясь на вышеприведенном анализе конструкций ВОУ были проведены теоретические исследования различных возможных конструктивных решений ВОУ с целью разработки новых типов ВОУ, обеспечивающих снижение их металлоемкости и соответственно стоимости.

При проведении предлагаемых исследований выполнялось 3D моделирование различных конструктивных решений ВОУ и математическое моделирование аэродинамических воздушных потоков в программном комплексе вычислительной гидрогазодинамики ANSYS, который позволил визуализировать и реализовать линии тока, поля скоростей воздуха, полных и статических давлений.

В качестве основы выполненных расчетов была принята более эффективная совмещенная система фильтрации по варианту 4 (рис. 4), по которой имелись данные по трем типоразмерам, полученные в ходе ранее проведенных испытаний на аттестованных аэродинамических стендах. На рис. 10, 11 и 12 приведены схемы трех типоразмеров совмещенной системы фильтрации по варианту 4 (рис. 4).

---

---

---

---

В качестве первого варианта исследований была рассмотрена предложенная параллельная система фильтрации воздуха в ВОУ для ГТУ 110МВ. Принципиальная схема такого ВОУ приведена на рис. 13.

В этом конструктивном решении фильтры-влагоуловители располагаются в виде W-образной системы для увеличения скорости в живом сечении ВОУ (рис. 13).

В качестве фильтров грубой очистки (ФГО) класс G4 и фильтров (ФТО) класс F9 была принята их совмещенная установка по варианту 4 (рис. 4) с габаритными размерами ФГО+ФТО=400+400 мм (рис. 11).

Фильтры ФГО и ФТО располагались двумя параллельными рядами по ходу движения воздуха. Первый по ходу движения воздуха ряд фильтров имел по краям каналы в ВОУ для прохода части циклового воздуха ко второму ряду фильтров ФГО и ФТО, а второй ряд имел канал в середине для выхода воздуха, очищенного в первом ряду (рис. 13).

---

---

Для математического моделирования рассматривалась система фильтрации грубого и тонкого фильтра 400+400 мм (рис. 11) с производительностью 4170 м?/ч (240 комплектов).

Моделирование проводилось при различных скоростях воздуха в живом сечении ВОУ. На рис. 14 приведено поле статического давления для параллельной системы фильтрации при скорости в ВОУ 4 м/с, что соответствовало номинальному расходу воздуха для ГТУ 110 МВт (1020 тыс. м?/ч).

Проведенные исследования также показали, что дальнейшее увеличение скорости воздуха в ВОУ ведет к резкому увеличению сопротивления всей конструкции.

С целью сравнения параллельной и W-образной системы между собой аналогичное математическое моделирование было выполнено на примере ВОУ Казанской ТЭЦ-2.

Результаты моделирования двух указанных систем приведены на рис. 14.

---

---

Расчеты показали, что аэродинамическое сопротивление обоих двухступенчатых систем при скорости воздуха в живом сечении около 4 м/с составило 420 Па.

Анализ также показал, что по габаритным размерам W-образная и параллельная система также сопоставимы, что позволяет сделать вывод о возможности применения параллельной системы фильтрации как альтернативной W-образной системе. Параллельная система фильтрации за счет высокой скорости в живом сечении (4 м/с) имеет невысокую металлоемкость, как и W-образная система. При этом она более проста в изготовлении.

Дальнейший анализ многочисленных проектов ВОУ в России на действующих ГТУ выявил особенность, которая заключалась в том, что, как правило, ВОУ всегда находятся на некотором расстоянии от ГТУ и требуется дополнительный, в ряде случаев протяженный, воздушный тракт для соединения выходного конфузора (пленума) ВОУ с входным фланцем компрессора ГТУ.

---

---

На рис. 15 приведены схемы некоторых ВОУ с воздушными трактами для ряда действующих ГТУ (Ивановская ГРЭС, ГТЭ 110 МВт; Кировская ТЭЦ-3, ГТУ 180 МВт; Ижевская ТЭЦ-1, ГТЭ-160 МВт; Московская ТЭЦ-21, ГТЭ-160 МВт).

Из приведенных схем видно, что от ВОУ до ГТУ длина воздушных трактов составляет для Ивановской ГРЭС – 25 м, для Ижевской ТЭЦ-1 – 19 м, для Московской ТЭЦ-21 и Кировской ТЭЦ – 30 м.

Во всех приведенных проектах эти воздушные тракты имеют большое живое сечение для возможности размещения в них ближе к ГТУ шумоглушителя.

Скорость воздуха в этих воздушных трактах составляет 7-8 м/с.

В большинстве случаев масса этих воздушных трактов сопоставима с массой ВОУ.

Такая схема компоновки ВОУ с длинными воздушными трактами возникает в тех случаях, когда происходит реконструкция действующих энергетических объектов, где ГТУ или ПГУ (парогазотурбинная установка) устанавливается в существующем здании, а ВОУ размещается на крыше этого здания или на приставных колоннах к зданию. В этом случае для транспортировки воздуха очищенного в ВОУ до ГТУ требуется достаточно протяженные воздушные тракты.

Основываясь на вышеприведенном анализе была предложена для рассмотрения возможность размещения элементов ВОУ в воздушном тракте.

Первоначальный анализ был проведен на примере действующего проекта ГТУ-SGT5-2000E мощностью 180 МВт турбины фирмы Siemens (Кировская ТЭЦ-3).

В качестве расчетной модели была принята конструкция ВОУ с клиновым размещением системы фильтрации, названная «канальным ВОУ», схема которого показана на рис. 16.

---

---

Как видно из рис. 16 канальное ВОУ включает: погодные козырьки, антиобледенительную систему, фильтры влагоуловители и фильтры грубой (G4) и тонкой (F9) очистки, расположенные по четвертому варианту (рис 4 и рис. 12), с габаритными размерами 600+600 мм. На выходе воздуха из системы фильтрации расположен шумоглушитель.

Общее количество фильтров грубой и тонкой очистки (G4+F9) составило 368 комплектов, размещенных в 2 этажа, по 4 яруса на этаже.

Номинальная производительность единичного комплекта ФГО+ФТО составила 4300 м?/ч.

За счет особенностей рассматриваемой системы фильтрации грубой и тонкой очистки, а именно большой фильтрующей поверхности ФГО G4 (15 м?) и ФТО F9 (45 м?) срок службы этой системы составит не менее 2-2.5 лет.

Габаритные размеры канального ВОУ по живому сечению были приняты близкими к размерам канала существующего проекта (5.5 х 11 м).

Длина канального ВОУ без козырьков составляла около 20 м, это укладывается в длину воздушных трактов действующих вышеуказанных проектов.

Для приведенной на рис. 16 схемы канального КВОУ было выполнено математическое моделирование, результаты которого приведены на рис. 17.

Общий расход воздуха был принят в размере 1587 тыс. м?/ч, соответствующий расходу воздуха для ГТУ 180 МВт.

---

---

Аэродинамическое сопротивление двухступенчатой системы фильтрации составляло 380 Па, а общее сопротивление ВОУ, включая шумоглушитель и воздушный тракт, до входа в ГТУ составляет 750-800 Па, что отвечает требованиям для ГТУ 180 МВт.

При необходимости решения задачи снижения сопротивления канального ВОУ, она может быть достигнута увеличением количества фильтров при незначительном увеличении длины ВОУ.

Для оценки массы рассматриваемого канального ВОУ для ГТУ 180 МВт было выполнено 3D моделирование (рис. 18), на котором видно, что масса канального ВОУ на 40% меньше существующего ВОУ вместе с воздушным трактом.

Аналогичные расчеты и моделирование были выполнены для ГТЭ-110 МВт на основе реального проекта (Ивановская ГРЭС) и технического задания для ВОУ ГТУ-32 МВт.

---

---

На рис. 19 приведена схема канального ВОУ для ГТЭ-110 МВт с клиновой системой фильтрации ФГО+ФТО (400+400 мм) по 5 варианту (рис. 5), то есть трехступенчатая система. При этом производительность единичного модуля составила 4050 м?/ч. Всего 252 комплекта, 2 этажа, по 4 и 3 яруса на первом и втором этажах соответственно. Общая длина канального ВОУ составила около 15 м.

Математическое моделирование канального ВОУ показало, что при номинальной производительности 1020 тыс. м?/ч аэродинамическое сопротивление трехступенчатой системы составит около 500 Па, а общее сопротивление не более 850 Па.

Здесь необходимо отметить, что при этом расчете размер канала был выбран исходя из особенностей проекта Ивановской ГРЭС, где воздушный канал проходит между двух колонн с ограничением этого размера. В случае снятия этих ограничений и перекомпоновки системы фильтрации аэродинамическое сопротивление системы фильтрации может быть понижено.

3D моделирование канального ВОУ для ГТЭ-110 МВт приведено на рис. 20 в сравнении с существующей проектом и из него видно, что масса канального ВОУ более чем в два раза легче существующего ВОУ и способно разместиться по длине существующего воздушного тракта.

---

---

---

Дальнейшие исследования применимости канального ВОУ для ГТУ-32 МВт были выполнены на основании технического задания, для чего были выполнены эскизные прорисовки стандартного ВОУ по ТЗ и канального ВОУ.

Схема стандартного ВОУ по ТЗ приведена на рис. 21 и из схемы видно, что очищенный воздух из верхней части ВОУ направляется на горение в ГТУ, а из нижней части на вентиляцию ГТУ. Согласно ТЗ для очистки воздуха в ГТУ была принята к рассмотрению трехступенчатая схема системы фильтрации по варианту 5 (рис. 5) с габаритными размерами ФГО+ФТО (292+292 мм) в количестве 96 комплектов (3200 м?/ч/комплект). А на вентиляцию двухступенчатая схема с влагоуловителем G2 и реверсивным фильтром ФГО G4 (292 мм) - 32 комплекта (2700 м?/ч/комплект).

---

---

На рис. 22 приведена схема канального ВОУ с аналогичными фильтрами в таком же количестве. Габаритные размеры канального ВОУ для процесса горения ГТУ составили 2.7 х 4.4 м по живому сечению, и длина без козырьков составила 9,5 м, что позволяет разместить его в пределах проектируемого здания.

Математическое моделирование показало, что аэродинамическое сопротивление трехступенчатой совмещенной системы фильтрации канального ВОУ для процесса горения ГТУ составило 360 Па при номинальном расходе ГТУ 307 200 м?/ч, а общее сопротивление ВОУ составляет около 600 Па, что отвечает требованиям ТЗ.

---

---

Для сравнения двух вариантов между собой было выполнено 3D моделирование ВОУ по ТЗ и канального ВОУ, результаты которого приведены на рис. 23. Сравнение показывает, что канальное ВОУ на 48% легче стандартного ВОУ.

---

---

Проведенный анализ и теоретические исследования показали, что в тех случаях, когда ВОУ располагается на некотором расстоянии от входа в ГТУ, целесообразно применение канального ВОУ, позволяющего снижать металлоемкость и, соответственно, стоимость ВОУ, которая может составить до 40-50%.

Уменьшение металлоемкости ВОУ в ряде случаев ведет, также, к снижению стоимости строительно-монтажных работ, связанных с изготовлением фундаментов для ВОУ, располагаемых на улице.

Проведенный анализ конструктивных особенностей ВОУ действующих в России ГТУ позволяет сделать следующие выводы.

1. ВОУ ГТУ призваны очищать большие объемы воздуха, в связи с чем их конструкция представляет из себя крупногабаритные и металлоемкие изделия.

2. Применение стандартных фильтров тонкой очистки в одном блоке с обратными (реверсивными) фильтрами грубой очистки с повышенной площадью фильтрации позволяет снижать сопротивление и увеличивать срок службы обеих ступеней в существующих ВОУ ГТУ, а также разрабатывать новые конструкции ВОУ с пониженной металлоемкостью.

3. Анализ всех действующих ВОУ в России показал, что наименьшей удельной металлоемкостью обладают ВОУ с W-образным расположением системы фильтрации ФГО и ФТО.

4. Предложена новая параллельная система фильтрации в ВОУ, которая по металлоемкости не уступает W-образной системе фильтрации, а теоретические расчеты и математическое моделирование показали ее практическую применимость.

5. Анализ действующих ВОУ ГТУ показал, что во многих случаях ВОУ находится на некотором расстоянии от ГТУ и требует применения дополнительного воздушного тракта для соединение выходного конфузора (пленума) ВОУ с входом компрессора ГТУ. Это приводит к удорожанию ВОУ и стоимости его строительства.

6. Предложена новая конструкция канального ВОУ, которая позволяет уменьшить металлоемкость и соответственно стоимость на 40-50% по сравнению с действующими проектами ВОУ.

7. Уменьшение металлоемкости канального ВОУ может приводить, также, и к снижению строительно-монтажных работ ГТУ.

8. Теоретические расчеты и математические моделирования показали применимость канального ВОУ для действующих проектов ВОУ ГТУ 32, 110 и 180 МВт.

9. Математическое моделирование различных вариантов канального ВОУ показало, что за счет варьирования размерами сечения канала (ширина, высота), а также использования различных совмещенных систем фильтрации ФГО и ФТО от 292+292 мм до 600+600 мм возможно добиться заданного аэродинамического сопротивления всего ВОУ в целом.

10. Целесообразно продолжение исследований новых конструктивных решений ВОУ на ГТУ других мощностей конкретных проектов.