ГлавнаяСтатьи → Результаты работ по разработке утилизаторов для газотурбинных установок

Результаты работ по разработке утилизаторов для газотурбинных установок

Ю.В. Алиев - 000 «Таттрансгаз» Е.Б. Поляшов, С.Б. Походяев - 000 «Анод-ТЦ

В условиях все возрастающего дефицита топливно-энергетических ресурсов основными становятся задачи, связанные с повышением эффективности их использования. Для газотурбинных установок это более рациональное и полное использование подведенной теплоты топливного газа.

Современные ГТУ имеют кпд на уровне 32...38% и используют эту часть теплоты для выработки полезной мощности на валу нагнетателя или турбогенератора. Безвозвратные потери (с турбинным маслом, теплоотдача и т.п.) составляют не более 10%. Остальную часть теплового баланса ГТУ составляет теплота уходящих газов. Для рационального использования этой теплоты применяют различные схемы и тепловые циклы (регенераторы, парогенераторы и т.д.), но наиболее простым и достаточно дешевым по вложению средств является использование утилизационных теплообменников для теплоснабжения компрессорных станций (КС) и прилегающих поселков в осенне-зимний период. Следует отметить, что утилизаторы используются и в регенеративных и парогазовых циклах.

В настоящее время для утилизации теплоты используются теплообменники с теплообменной поверхностью, выполненной из труб с наружным оребрением, которые устанавливаются горизонтально в потоке газа. Опыт эксплуатации их на КС показывает, что данные теплообменники не отвечают в полной мере требованиям надежности (быстрое загрязнение их проточной части, модулей при остановке ГТУ и т.д.). Недостаточная химическая подготовка сетевой воды в условиях КС приводит к выпадению солей, следствием чего является загрязнение внутренней поверхности теплообмена.

Необходимо учесть также, что КС имеет ограничения по потребляемой теплоте. Производственные помещения и административные корпуса потребляют не так уж много тепловой энергии, а жилые поселки чаще всего расположены дальше экономически обоснованного использования тепла ГТУ.

Использование тепла для отопления теплиц в условиях севера при оторванности от сельхозпроизводителей практически невозможно. Поэтому вместо возможного получения 15...20 МВт тепла с каждой ГТУ утилизируются только 3...4 МВт. Это приводит к тому, что теплообменная поверхность работает при высокой теплонапряженности и любые неравномерности по расходу или температуре продуктов сгорания приводят к местному подкипанию или полному запариванию, что вызывает значительные термические нагрузки. Отметим еще, что установка утилизаторов теплоты приводит к увеличению гидравлического сопротивления по тракту ГТУ, а следовательно несколько снижает ее мощность. Поэтому падение давления газа в теплообменнике не должно превышать 1000...3000 Па, что фактически не сказывается на расходе газа и мощности турбины.

Перечисленные выше условия работы определяют и требования к утилизационным теплообменникам:

  • надежность работы при высоких температурах и циклических нагрузках;
  • минимальное гидравлическое сопротивление по продуктам сгорания;
  • соблюдение условий, препятствующих засорению трубной системы, и возможность ее очистки;
  • возможность периодического осмотра и ремонта;
  • эффективное регулирование тепловой мощности.

Регулирование тепловой мощности в традиционных утилизаторах осуществляется путем перепуска части расхода выхлопного газа через специально организованный байпас. Для этого на входе в утилизатор и байпас установлены поворотные заслонки, которые крайне ненадежны и создают дополнительное аэродинамическое сопротивление.

В то же время следует отметить, что потребляемая тепловая мощность почти не изменяется в течение суток, но зависит от времени года. Из этого следует, что для регулирования мощности утилизаторов более логично секционирование теплообменной поверхности, позволяющее поэтапно осенью повышать, а весной снижать мощность утилизатора. Однако данный режим изменения мощности утилизатора не должен влиять на работу ГПА и требует ввода теплообменной секции в работу броском сетевой воды на разогретую трубную систему, что неприемлемо для обычных прямотрубных утилизаторов.

По нашему мнению, в полной мере данным требованиям отвечает теплообменная поверхность, набранная из змеевиков с малым радиусом гиба (ЗМРГ). Змеевики позволяют гарантировать самокомпенсацию при быстрых температурных расширениях и надежно объединены сваркой в трубную систему.

На предприятии «Анод-Теплообменный центр», ранее входившем в НПЦ «Анод», накоплен большой опыт проектирования и изготовления утилизаторов с теплообменной поверхностью змеевикового типа для различных ГПА, эксплуатирующихся в системе ОАО «Газпром». Проектирование ведется по исходным требованиям заказчика с учетом получения оптимальных массогабаритных и стоимостных показателей.

Разработанные в 000 «Анод-ТЦ» утилизаторы имеют ряд общих конструктивных требований, выполнение которых позволяет гарантировать надежность в эксплуатации:

  • теплообменная поверхность набирается из витых змеевиков, выполненных из трубы Ø18x2 мм и объединенных коллекторами (труба Ø 76x4 мм) в плоские модули (фото 1).
  • теплообменники могут располагаться в горизонтальном или вертикальном газовыхлопе, но расположение змеевиков в любом случае вертикальное;
  • для быстрого удаления воздуха при пуске и слива воды при останове на коллекторах устанавливаются штуцеры;
  • по желанию заказчика модули объединяются в одну или несколько независимых секций.
Фото 1. Теплообменная секция котла-утилизатора СТУ-01

Первые утилизаторы (СТУ-01) для ОАО «Газпром» были разработаны, испытаны и эксплуатируются с 1998 г. на КС «Таттрансгаз». Конструкция разрабатывалась с учетом замены вышедших из строя утилизаторов Mannesmann с обеспечением их габаритных размеров. Утилизатор состоит из двух теплообменников, расположенных в горизонтальном газовыхлопе. Теплообменник образуют два теплообменных плоских модуля, имеющие по входу-выходу отсечную арматуру. Такое четырехступенчатое секционирование позволяет эффективно регулировать тепловую мощность утилизатора путем подключения или отключения части теплообменной поверхности. Схема подключения секций показана на рис 1.

Пуск производится при открытом вентиле ВНЗ. Плавным открыванием вентиля ВН2 на разогретую трубную систему подается сетевая вода. Образовавшаяся при вскипании пароводяная смесь сбрасывается через вентиль ВНЗ в канализацию. При быстром увеличении подачи воды возможно срабатывание предохранительного клапана, установленного на верхнем коллекторе. При пуске конструкция испытывает достаточно сильные динамические нагрузки и слышен шум от пароводяной смеси, который прекращается через 1-2 минуты. После этого вентиль ВН1 открывается, ВНЗ закрывается. Пуск произведен.

Одной из основных проблем утилизаторов является засорение внутренней поверхности. Для удаления грязи и солевых отложений во внутритрубном пространстве в утилизаторах с теплообменной поверхностью из витых труб используется их свойство самокомпенсации температурных расширений и надежность работы при термоциклических напряжениях, термо- и гидроударах.

При пуске или в момент останова производят специальный режим отмывки, который аналогичен режиму пуска, описанному выше (Рис. 1). Режим заключается в быстрой подаче воды на разогретую теплообменную поверхность, что приводит к резкому ее охлаждению и отслоению накипи. Подача воды производится в верхний коллектор, открывается ВН1, при этом вентиль ВН4 заранее открыт, а вентили ВН2 и ВНЗ закрыты, Образовавшийся при броске «снаряд» вымывает из вертикально расположенных змеевиков отложения, грязь и сбрасывает их в канализацию. Отмывка трубной системы производится не реже 1 -2 раз в год и зависит от жесткости сетевой воды. По условиям эксплуатации промывка может быть совмещена с пуском секций утилизатора, которая была описана выше.

Рис. 1. Схема подключения теплообменных модулей

При возникновении течи в трубной системе ремонт производится на удаленной из газохода секции (Фото 2). При подаче давления во внутритрубное пространство определяется место дефекта. Затем в месте крепления змеевика к коллектору вырезается участок, и со стороны коллекторов устанавливаются заглушки. Змеевик остается на месте и служит дистанционирующим элементом.

Фото 2. Секция, удаленная из газохода для ремонта

Эффективность и надежная работа при термоциклических нагрузках позволяет говорить о хорошей перспективе использования описанной выше конструкции при утилизации тепла в различных установках. Если Вы желаете получить более подробную информацию по данной теме, обращайтесь в ООО «Анод-ТЦ», и мы решим проблемы с утилизацией тепла.

Газотурбинные технологии, №7(50) октябрь 2006