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 энергогенерирующую мощность газовыми турбинами мощностью от 50 до 400 МВт, использовав для выработки электроэнергии и тепла парогазовые установки (ПГУ), практически удвоив КПД и эффективность использования сжигаемого газа.

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

Для надежной работы ГТУ их производители регламентируют для очистки воздуха фильтры классов от F8 до Н12.

ООО «НПП «ФОЛТЕР» разработало, производит и многие годы эксплуатирует совмещенные высокоэффективные 2-х ступенчатые системы фильтрации (рис.1).

Производится также усовершенствованная 3-х ступенчатая система с эффективным удалением капельной влаги. Влагоуловитель 3-х ступенчатой совмещенной системы фильтрации позволяет эффективно улавливать, собирать уловленную капельную влагу в специальный поддон (рис. 2) и выводить ее из набегающего потока воздуха.

Эти высокоэффективные системы фильтрации эксплуатируются на многих энергопредприятиях России и газоперекачивающих станциях.

Производятся 2-х и 3-х ступенчатые системы фильтрации 3-х типоразмеров:

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

                           

              Рис. 1. Три 2-х ступенчатые совмещенные системы фильтрации

                                                                                                                

                                                 Рис. 2. Испытания влагоэффективности                                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, а также знания конструкций, практически всех эксплуатирующихся в России КВОУ ГТУ, позволил провести их анализ, который показал следующее.

Производители ГТУ Siemens, Alstom, Mitsubishi и др. используют для своих ГТУ классические конструкции КВОУ (рис.4).

                                                                        

           Схема классического КВОУ                           Односторонний вход воздуха                    3-х сторонний вход воздуха

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

В классических конструкциях КВОУ, как правило, 3-х ступенчатые системы фильтрации располагаются перпендикулярно направлению воздушного потока, и каждая из 3-х ступеней располагается на отдельно расположенной 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.

В соответствии с этим, задачей разработчиков КВОУ является оптимизация воздухоочистных устройств для уменьшения их габаритов, массы и соответственно стоимости.

Ведущий в мире производитель ГТУ компания General Electric (GE) (США) во всех проектахна территорииРоссиисо 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 удельной металлоемкости, т.е. отношение массы КВОУ без фильтров к пропускной способности КВОУ.

Результаты приведены в таблице 1.

 Таблица 1                                                                                            

Анализ показывает, что КВОУ с W-системой 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 ГТЭ 110 МВт Ивановской ГРЭС                                                                                          ВОУ для ГТУ 160 МВт Ижевской ТЭЦ-1 

                                                                                                     

                                       ВОУ для ГТУ 160 МВт ТЭЦ-21 (г. Москва)                                                                                        ВОУ ГТУ 180 МВт Кировской ТЭЦ-3

                          Рис. 7. Анализ действующих проектов КВОУ в России

Эти пустые воздушные каналы по массе сопоставимы с массой самих КВОУ.

Нами было предложено воспользоваться идеей фирмы GE, усовершенствовав ее, а именно, мы разместили 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

Для проверки применимости этого решения было проведено математическое моделирование КАНАЛЬНОЙ конструкции КВОУ на примере одного из проектов    ГТЭ-170.

                                                                              

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.

Для проверки теоретических расчетов было выполнено натурное моделирование КАНАЛЬНОГО КВОУ на аттестованном стенде, (рис.11).

        

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

              

Рис. 12. 3-х ступенчатая система фильтрации при натурных испытаниях модели канального КВОУ

                                                                                                                        

     Рис. 13.  Фото модели канального КВОУ с 3-х ступенчатой системой фильтрации со снятыми стенками канала

                                                                                                                             

                                       Рис. 14.  Фото модели канального КВОУ в составе испытательного стенда             Рис. 15.  Аттестат испытательного стенда

Аэродинамическая характеристика канального КВОУ с 3-х ступенчатой системой фильтрации приведена на рис.16, из которого видно, что при расходе воздуха 10 000 м³/ч (5 000 м³/ч на единый комплект фильтров), сопротивление составило 425 Па, что несколько ниже расчетного, оно подтверждает сходимость результатов и возможность применения канальной конструкции КВОУ.

          

       Рис. 16. Аэродинамическая характеристика 3-х ступенчатой системы канального КВОУ

3D моделирование канального КВОУ показало снижение металлоемкости по сравнению со стандартным КВОУ ГТУ 180 МВт (ТЭЦ-3 г. Киров) на ≈ 75 т.

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

Подобное эскизное проектирование было выполнено для ГТУ-32 МВт (рис. 18) и ГТЭ-110 МВт (рис. 19).

                                                                                                           

           Рис. 18. 3D модели КВОУ: классическое (слева) и канальное (справа) для ГТУ-32 МВт

                                                                                                                 

                      Рис. 19. 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 3-х ступенчатая совмещенная система фильтрации воздуха в КВОУ, обеспечивающая эффективную очистку и удаление капельной влаги.
2. Совмещенные системы фильтрации ООО «НПП «ФОЛТЕР» многие годы эксплуатируются на различных энергопредприятиях России и доказали свою эффективность.
3. Теоретический анализ различных конструкций КВОУ в РФ показал, что использование совмещенных систем фильтрации, расположенных под углом к набегающему потоку воздуха, позволяют снижать металлоемкость КВОУ до 20%, по сравнению с классическими вариантами КВОУ.
4. Разработана новая конструкция КАНАЛЬНОГО КВОУ, позволяющая снижать металлоемкость до 40-50%, по сравнению с классическими конструкциями КВОУ.
5. Проведено математическое моделирование конструкции канального КВОУ для ГТЭ-170 МВт, ГТЭ-110 МВт, ГТУ-32 МВт, которое показало применимость разработанной конструкции.
6. Для проверки теоретических расчетов конструкции канального КВОУ были выполнены натурные испытания модели канального КВОУ на аттестованных стендах. Эти испытания показали сходимость с теоретическими расчетами математического моделирования и применимость конструкции канального КВОУ для очистки воздуха в ГТУ.