Проволович О.В.

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

 Проволович О.В. Высокоэффективное КВОУ для газовых турбин // Журнал Газотурбинные технологии 2024, №3, с.18-23.

 

Многие энергопредприятия России нуждаются в модернизации своего энергогенерирующего оборудования.

За последние 20 лет некоторое количество таких предприятий в дополнение к традиционным паровым турбинам дооснастило свою генерацию газовыми турбинами большой мощностью от 50 до 400 МВт, использовав для выработки электроэнергии и тепла парогазовые установки (ПГУ) и практически удвоив КПД и эффективность использования сжигаемого газа.

Первой ступенью ПГУ являются газотурбинные установки (ГТУ), требующие для своей работы большие объемы циклового очищенного воздуха.

Для надежной работы ГТУ нужен хорошо очищенный воздух до степени очистки фильтрами классов от F8 до H12, что регламентировано производителями ГТУ.

ООО «НПП «ФОЛТЕР» разработало, производит и многие годы эксплуатирует совмещенные высокоэффективные двухступенчатые системы фильтрации (рис.1) со сроком службы до трех лет.

Выпускается также усовершенствованная трехступенчатая система с эффективным удалением капельной влаги.

Влагоуловитель трехступенчатой совмещенной системы фильтрации позволяет эффективно улавливать, собирать уловленную капельную влагу в специальный поддон (рис. 3)  и выводить ее из набегающего потока воздуха.

Эти высокоэффективные системы фильтрации эксплуатируются на многих энергопредприятиях России, а также в ГТУ газоперабатывающих станций. 

Производятся двух- и трехступенчатые системы фильтрации трех типоразмеров по расходу воздуха:

- стандартная - 3 400 м³/час;
- повышенной производительности - 4 250 м³/час;
- высокопроизводительная - 5 000 м³/час.

                           

              Рис. 1. Три двухступенчатые совмещенные системы фильтрации

 

Разработанная трехступенчатая система фильтрации включает размещение на фильтре грубой очистки (ФГО) влагоуловителя (ВУ) класса G2 в виде одеваемого чехла (рис. 2) из специального ретикулированного пенополиуретана с открытыми порами, который обеспечивает эффективное удаление капельной влаги.

Кроме того, влагоуловитель оснащен поддоном с нижней части (рис. 3), который обеспечивает сбор уловленной капельной влаги и организованный отвод этой влаги за пределы набегающего потока воздуха, исключая тем самым ее возврат в набегающий воздушный поток.

Эта система прошла стендовые испытания с подачей капельной влаги, имитирующей сильный дождь и показала свою высокую эффективность. 

                                                                                     

Рис. 2. Испытания влагоэффективности ФГО (G4)+ВУ (G2)                                         Рис. 3. Схема влагоуловителя с выводом уловленной                                                                                                                                                                                                                                   капельной влаги за пределы набегающего потока воздуха                                                                   

ООО «НПП «ФОЛТЕР» около 20 лет поставляет фильтры и системы фильтрации для КВОУ ГТУ РФ.

Многолетний опыт поставок, знание конструкций практически всех эксплуатирующихся в России КВОУ ГТУ позволил провести их анализ, который показал, что ведущие производители ГТУ Siemens, Alstom, Mitsubishi и др. используют для своих ГТУ классические конструкции КВОУ (рис. 4).

                                                                  

                                      Cхема классического КВОУ                                   Односторонний вход воздуха                         Трехсторонний вход воздуха

                                                                                  Рис. 4.  Схема КВОУ ведущих производителей ГТУ (Siemens, Alstom, Mitsubishi)

В классических конструкциях КВОУ, как правило, трехступенчатые системы фильтрации располагаются перпендикулярно направлению воздушного потока, и каждая из трех ступеней - на отдельной установленной раме.

Большие объемы очищаемого воздуха требуют большого количества фильтров в комплексных воздухоочистных устройствах.

Габариты и масса таких КВОУ превышают габаритно-массовые параметры самих ГТУ и по массе составляют от десятков до сотен тонн. Поэтому задачей разработчиков КВОУ является оптимизация воздухоочистных устройств для уменьшения их габаритов, массы и, соответственно, стоимости.

Один из ведущих в мире производитель ГТУ General Electric (GE) во всех проектахна территории России со статическими фильтрами: Сызранская ТЭЦ, Новомосковская ГРЭС, Вологодская ТЭЦ, Маяковская ТЭС, Талаховская ТЭС, Прегольская ТЭС (г. Калининград), ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 (г. Казань), а также на самой мощной ГТУ-400 МВт в г. Казань на ТЭЦ-3 - используют совмещенные системы фильтрации (рис. 6) с W-образным расположением (рис. 5) в конструкции КВОУ.

                                                                                               

 Рис. 5. Принципиальная схема W-образной системы фильтрации КВОУ ГТУ 400 МВт                 Рис.6. Совмещенная система фильтрации в КВОУ ГТУ 400 МВт

                                                   (Казанская ТЭЦ-3)                  

В таких КВОУ совмещенная система многоступенчатой фильтрации расположена под углом к набегающему потоку воздуха.

Для сравнения классических конструкций КВОУ и КВОУ с W-системой мы использовали показатель удельную металлоемкость, т.е. отношение массы КВОУ без фильтров к пропускной способности КВОУ (табл.).

Результаты приведены в таблице 1.

 Таблица 1                                                                                            

Проведенный анализ показал, что КВОУ с трехсторонним входом воздуха тяжелее КВОУ с односторонним входом воздуха ГТУ такой же мощности на 11 % (для ГТУ-160 МВт около 9-10 т, рис. 4).

Анализ также показал, что КВОУ с W-системой расположение системы фильтрации имеет металлоемкость до 20 % ниже классических КВОУ с односторонним входом воздуха.

Дальнейший анализ проектов КВОУ в РФ показал, что во многих случаях между КВОУ и ГТУ необходим воздушный канал, так как КВОУ располагается на улице за пределами машзала (рис. 7).

                                                                                                                    

                                                                                                                                  ВОУ для ГТУ 160 МВт Ижевской ТЭЦ-1

                                                                                          

                                                         ВОУ для ГТЭ 110 МВт Ивановской ГРЭС                                                ВОУ ГТУ 180 МВт Кировской ТЭЦ-3

                     

                                                                                                                                 ВОУ для ГТУ  160 МВт ТЭЦ-21 (г. Москва)

        Рис. 7. Анализ действующих проектов КВОУ в России

На действующих КВОУ длина горизонтального воздуховода, соединяющего КВОУ и ГТУ, составляет: для Ижевской ТЭЦ-1 - 20 м, для Ивановской ПГУ - 25 м, Кировской ТЭЦ-3 – 21 м, Московской ТЭЦ-21 - 30 м и т.д.

Эти "пустые" воздушные каналы, например, для ГТУ 160-180 МВт сечением 11х4,5 м и массой 80 - 100 т сопоставимы с массой самих КВОУ. 

Нами было предложено воспользоваться идеей фирмы GE, усовершенствовав ее, а именно, мы предлагаем поместить систему фильтрации в пустующем канале в виде клина, расположив систему фильтрации под углом к набегающему потоку (рис. 8).

                                                                                  

                                          Рис. 8. Принципиальная схема канального КВОУ для ГТЭ-170 МВт                      Рис. 9. 3D Модель канального КВОУ ГТЭ-170 МВт

В этом случае всё КВОУ с остатком горизонтального канала располагается в помещении машзала, а за пределами здания располагаются только погодные козырьки. Замена фильтров осуществляется как во всех стандартных конструкциях КВОУ подачей фильтров грузоподъемными механизмами машзала на площадку обслуживания канального КВОУ, как показано на рис. 9.

Размещение КВОУ в помещении машзала позволяет уменьшить стоимость строительно-монтажных работ, связанных с необходимостью подготовки опорных конструкций несущих фундаментов на улице при стандартном размещении КВОУ за пределами машзала.

Размещение канального КВОУ в пределах здания машзала незначительно увеличивает распределенную нагрузку на опоры канального КВОУ, и, как показали предварительные расчеты, позволяет использовать существующие опорные конструкции горизонтального участка воздуховода стандартного КВОУ без увеличения сечения опорных колонн.

Для проверки применимости канального КВОУ было проведено математическое моделирование (рис.10) на примере и по ТЗ одного из проектов ГТЭ-170 (проект «Нижнекамск» АО «Силовые машины» (рис. 9). 

При расчетах использовалась трехступенчатая высокопроизводительная система фильтрации (рис.8) с влагоуловителем ВУ (G2) и фильтрами ФГО (М5) и ФТО (F9), глубиной 600 мм и пропускной способностью около 5 000 м³/ч.

                                                                              

Рис. 10 Математическое моделирование канального КВОУ ГТУ-170 МВт

Расчеты показали, что аэродинамическое сопротивление КВОУ составило 815 Па, что удовлетворяло требованиям ТЗ - 980 Па. При этом сопротивление 3-х ступенчатой системы фильтрации канального КВОУ составило 490 Па.

Необходимо отметить, что для реального проекта КВОУ ГТЭ-170 МВт было задействовано только чуть больше половины длины горизонтального воздуховода (общая длина воздуховода по ТЗ около 25 м), что позволяет в случае необходимости продлить дополнительное количество фильтров в свободной части воздуховода, обеспечив тем самым снижение общего сопротивления КВОУ и повышение к.п.д. ГТУ. 

Для проверки теоретических расчетов было выполнено натурное моделирование канального КВОУ на аттестованном стенде, (рис.12).

Принципиальная схема модели канального КВОУ показана на (рис.11), и она включала совмещенную трехступенчатую высокопроизводительную систему фильтрации с влагоуловителем (ВУ) класса G2, фильтром грубой очистки (ФГО) класса М5 (глубиной 600 мм) и фильтром тонкой очистки (ФТО) класс F9 (глубиной 600 мм). Эта система фильтрации по классам очистки соответствовала техническому заданию АО «Силовые Машины» и системе фильтрации при математическом моделировании (рис. 8, 10).  

                                                                    

Рис. 11. Схема модели канального КВОУ с высокопроизводительной 3-х ступенчатой системой фильтрации

                                                                                                  

                                                                                             

     Рис. 12.  Фото модели канального КВОУ в составе испытательного стенда             Рис. 13.  Аттестат испытательного стенда

Аэродинамическое сопротивление канального КВОУ с трехступенчатой высокопроизводительной системой фильтрации при расходе воздуха 10 000 м³/ч            (5 000 м³/ч на единый комплект фильтров) составило 425 Па, что несколько ниже расчетного, и подтверждает сходимость результатов и возможность применения канальной конструкции КВОУ.

   

    Рис. 14. Аэродинамическая характеристика 3-х ступенчатой системы канального КВОУ

Для оценки массы канального КВОУ было выполнено 3D-моделирование новой конструкции канального КВОУ, которое показало снижение металлоемкости по сравнению со стандартным, близким по размерам воздушного канала КВОУ ГТУ-160 МВт (ТЭЦ-3, г. Киров) на ≈ 75 т (рис. 15).

Расход циклового воздуха для обоих КВОУ составил около 1,5 млн. м³/ч.

                                                                                     

 

   Масса КВОУ с воздушным траком без глушителя и фильтров для                                   Масса канального КВОУ® без глушителя и фильтров для ГТУ-170 МВт ≈ 115 т

                            ГТЭ-160 МВт (ТЭЦ-3 г. Киров) ≈ 190 т

                                         Рис. 15. Сравнение 2-х вариантов КВОУ: классическое (слева) и канальное (справа) для ГТЭ-170 МВт

Аналогичное 3D моделирование конструкции канального КВОУ было выполнено также для проектов ГТУ-32 МВт, ГТУ-65 МВт, ГТУ-110 МВт.

Это моделирование показало снижение массы КВОУ для ГТУ-32 МВт около 15 т, ГТУ-65 МВт - 25 т, ГТЭ-110 МВт около 41 т.

 

                                                                                                           

           Рис. 16. 3D модели КВОУ: классическое (слева) и канальное (справа) для ГТУ-32 МВт

                                                                                                                 

                      Рис. 17. 3D модели КВОУ: классическое (слева) и канальное (справа) для ГТЭ-110 МВт

Снижение массы на ≈ 41 т.

 

Суммируя изложенное, можно отметить следующее:

1. Разработана компактная двух- и трехступенчатая совмещенная система фильтрации воздуха в КВОУ, которая обеспечивает эффективную очистку воздуха.
2. Совмещенные системы фильтрации ООО «НПП «ФОЛТЕР» многие годы эксплуатируются на различных энергопредприятиях России и доказали свою эффективность.
3. Разработанная высокопроизводительная трехступенчатая система фильтрации воздуха глубиной 600 мм и производительностью 5 000 м³/ч позволяет проектировать КВОУ на 20 % меньше по входному сечению, снижая тем самым габариты КВОУ и уменьшая его металлоемкость.
4. Проведены стендовые испытания трехступенчатой системы фильтрации с новой конструкцией влагоуловителя. Эти испытания доказали высокую эффективность улавливания капельной влаги и ее организованный вывод из воздушного потока.
5. Теоретический анализ действующих в РФ КВОУ различной конструкции показал, что использование совмещенных систем фильтрации, расположенных под углом к набегающему потоку воздуха, позволяют снижать металлоемкость КВОУ до 20 %, по сравнению с классическими вариантами.
6. Разработана новая конструкция канального КВОУ, позволяющая размещать все его элементы в составе воздушного канала (воздуховода) внутри здания машзала (до ГТУ).
7. Выполнено математическое моделирование конструкции канального КВОУ для проекта «Нижнекамск» ГТЭ-170 по ТЗ АО «Силовые Машины».
8. Математическое моделирование показало применимость новой конструкции КВОУ и соответствие требованиям ТЗ проекта «Нижнекамск» для ГТЭ-170.
9. Для проверки теоретических расчетов конструкции канального КВОУ были выполнены натурные испытания модели канального КВОУ для проекта «Нижнекамск» (ГТЭ-170) на аттестованных стендах. Эти испытания показали сходимость с теоретическими расчетами математического моделирования и применимость конструкции канального КВОУ для очистки воздуха для ГТЭ-170.
10. 3D моделирование новой конструкции канального КВОУ для проекта «Нижнекамск» ГТЭ-170 (АО «Силовые Машины») показало снижение металлоемкости на 40 %, по сравнению с аналогичным стандартным действующим КВОУ ГТЭ-160 (ТЭЦ-3, г. Киров) близких размеров и пропускной способности.
11. 3D моделирование канального КВОУ выполнено и для других ГТУ, выпускаемых в России, оно также показало снижение металлоемкости на десятки тонн, что позволит снизить стоимость изготовления КВОУ на десятки млн. руб.
12. Конструкция канального КВОУ позволяет также уменьшить стоимость строительно-монтажных работ КВОУ за счет исключения массивных опорных конструкций несущих фундаментов за пределами машзала.
13. Для реализации проектов новой конструкции канального КВОУ приглашаются инвесторы.

 

 

 

 

 

 

	ВОУ для ГТУ 160 МВт Ижевской ТЭЦ-1