ГлавнаяСтатьи → Результаты работ по внедрению регенератора змеевикового типа для газотурбинной установки ГТК-10

Результаты работ по внедрению регенератора змеевикового типа для газотурбинной установки ГТК-10

Т.Т, Алиев - 000 «Севергазпром» А.О. Прокопец - 000 «Тюментрансгаз» Ю.И. Аношкин, С.Б. Походяев - 000 «Анод-ТЦ»

Повышение кпд газотурбинной техники в нашей стране, да и во всем мире, происходило в двух направлениях — повышение параметров термодинамического цикла (увеличение температуры газа в турбине и давление воздуха после компрессора) и совершенствование режимов цикла (промохлаждение между ступенями в компрессоре и регенеративный подогрев воздуха выхлопными газами). Первое направление развивалось в рамках авиационных ГТД в Москве, Перми, Самаре. Второе направление в основном было сосредоточено на Невском заводе, где разрабатывались ГПА и промышленные ГТД. Однако развитие ГПА регенеративного типа сдерживало отсутствие теплообменной поверхности, надежно работающей при высоких температурах, давлении и циклических нагрузках.

В частности, простая и надежная турбина ГТК-10-4, наиболее массовая в ОАО «Газпром», с подтвержденным ресурсом более 100 тысяч часов, в то же время имеет много проблем с регенератором пластинчатого типа, особенно при термоциклических нагрузках. Уже после нескольких десятков пусков и остановов ГТУ регенератор начинает терять герметичность, а следовательно ухудшаются параметры ГТУ в целом. Наличие утечек воздуха через неплотности приводит к снижению мощности до 30%, кпд до 10% (абсолютных). Следует также отметить, что пластинчатая конструкция трубной системы регенератора не поддается качественному ремонту в условиях компрессорной станции.

Замена пластинчатого регенератора на прямотрубный не решает проблему в полной мере в связи с высокой массой изделий и низкой несущей способностью грунта на КС ГТК.

Используемые в настоящее время пластинчатые и прямотрубные теплообменные поверхности не отвечают в полной мере современным требованиям и являются сдерживающим фактором развития данного направления. Требуется разработка теплообменников с использованием нового типа компактной, эффективной и надежной теплообменной поверхности. По нашему мнению, этим требованиям в полной мере отвечает теплообменная поверхность, набранная из змеевиков с малый радиусом гиба (ЗМРГ).

Предприятие «Анод - Теплообменный Центр», ранее входившее в НПЦ «Анод», занимается такими разработками уже более 10 лет, и за это время разработано большое количество различных конструкций регенераторов, воздухоохладителей, утилизаторов и накоплен большой опыт в проектировании и изготовлении теплообменного оборудования.

Разработанные методики расчета геометрических и теплогидравлических характеристик были апробированы при испытаниях головных образцов и позволяют получать оптимальные массогабаритные и стоимостные показатели теплообменного оборудования для различных сред и условий эксплуатации.

Новизна конструкции теплообменной поверхности защищена патентами РФ на изобретение.

Преимущества нового типа поверхности описаны в журнале «Газотурбинные технологии» № 1 за 2001 год. Это минимальные масса и габариты при обеспечении заданных теплогидравлических характеристик:

  • интенсивности теплообмена при высокой турбулентности сред;
  • оптимального гидравлического сопротивления по контурам за счет выбора скоростей теплоносителя;
  • высокой компактности при использовании труб небольшого типоразмера, объединенные в модули;
  • использования принципа полного противотока теплообменных сред.

Надежность работы теплообменников определяется следующими конструктивными особенностями:

  • змеевики позволяют гарантировать самокомпенсацию при температурных расширениях;
  • теплообменная поверхность выполнена из труб, которые хорошо выдерживают давление;
  • все соединения теплообменных элементов в трубную систему выполнены сварным методом;
  • ремонтопригодность обеспечена секционированием теплообменной поверхности.

Большое количество однотипных змеевиков и модулей позволило применить агрегатную технологию и максимально автоматизировать процесс изготовления. На предприятии был организован специализированный цех по выпуску теплообменных модулей, что позволило повысить качество и снизить трудоемкость выпускаемой продукции.

По заданию ОАО «Газпром» были разработаны и изготовлены два однотипных регенератора РГ-10 и РГ-10БМ предназначенные для замены дефектных и выработавших фактический ресурс - пластинчатых регенераторов со степенью регенерации 0,7 при модернизации ГТК-10.

При разработке конструкций регенераторов учитывались следующие технические требования:

  • масса секции регенератора не должна превышать массу демонтируемых пластинчатых регенераторов;
  • регенератор монтируется на старые фундаменты без демонтажа выхлопной трубы с минимальной доработкой воздуховодов и газоходов;
  • на выхлопе за регенератором необходимо было предусмотреть установку утилизатора для подогрева сетевой воды;
  • коэффициент регенерации должен быть не менее 0,8 при суммарных гидравлических потерях не более 5%.

Головные образцы регенераторов РГ-10 (Фото 1) и РГ-10БМ (Фото 2) были разработаны, изготовлены и испытаны в составе агрегатов ГТК-10-4 на компрессорных станциях магистральных газопроводов «Севергазпром» и «Тюментрансгаз» соответственно.

Регенераторы проектировались с разницей в полгода, поэтому геометрические характеристики трубных систем, а соответственно и теплогидравлические параметры регенераторов по итогам проведенных испытаний оказались близки. Геометрические характеристики теплообменных модулей в регенераторах однотипны и различаются количеством модулей в секциях (213 и 219 соответственно).


Фото 1. Головной образец регенератора РГ-10
Фото 2. Головной образец регенератора РГ-10БМ

Модуль представляет собой пучок из 37 теплообменных элементов, выполненных из трубы 14x1 мм (рис. 1). Материал труб — нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. Модули через переходники объединены коллекторами подвода и отвода воздуха в трубную систему, которая имеет форму прямоугольника. В РГ-10БМ модули объединяются в промежуточные блоки и далее в трубную систему, что улучшает технологичность сборки, но снижает ремонтопригодность. Данное конструктивное решение в дальнейшем использовать не планируется.

Рис. 1. Теплообменный модуль

Коллектор воздуха в РГ-10 выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром 800 мм. С обоих концов коллектор имеет патрубки: один служит для подвода или отвода воздуха, а второй — люком для осмотра и ремонта трубной системы. При обнаружении неплотного модуля на входе и выходе его устанавливаются и завариваются заглушки.

Методика поиска неплотного модуля была апробирована на РГ-10 после года его работы. В течение недели были опрессованы все модули в регенераторе. Течь определялась по падению давления воздуха, при этом неплотные модули зафиксированы не были.

Каждая секция массой 23 тонны устанавливается горизонтально на старые фундаменты от пластинчатого регенератора без демонтажа выхлопной трубы. Охлаждаемая среда (продукты сгорания) движется в межтрубном пространстве. Нагреваемая среда (воздух) — в трубах.

РГ-10 испытывался на КС «Сосногорская» ЛГТУ МГ ООО «Севергазпром»; РГ-10БМ - на КС3 «Комсомольская» ЛПУ МГ ООО «Тюментрансгаз».

Результаты этих испытаний регенераторов на номинальной мощности приведены в табл.

  РГ-10 РГ-10БМ
Степень регенерации 0,77 0,78-0,81
Потери давления по межтрубному пространству, кПа 2,75 2,67
Потери давления по внутритрубному пространству, кПа 10,5 12,35
Суммарные относительные потери давления, % 5,2 5,5-5,8

Проведенные испытания показали большую неравномерность распределения температур и расходов продуктов сгорания по секциям на входе регенератора и, как следствие, большое различие степени регенерации и потерь давления секций регенератора. В результате среднее значение степени регенерации оказалось ниже, чем оно было бы при одинаковых значениях температур и расходов для секций регенератора. Кроме того, параметры сред на входе в регенератор, а значит и показатели регенератора, существенно зависят от состава и качественного состояния оборудования агрегата, в составе которого проводятся испытания регенератора (техническое состояние турбины, наличие или отсутствие защитных сеток в воздуховоде, тип и состояние камеры сгорания и т.п.). Очевидно, что учет этих факторов, не оговариваемых техническим заданием, требует при проектировании введения дополнительного запаса на показатели регенератора. В целом же испытания показали, что замена пластинчатых регенераторов на регенераторы РГ-10 и РГ-10БМ улучшает технико-экономические показатели агрегата (кпд, расход топливного газа и т.д.) даже при несколько повышенных потерях давления.

С учетом результатов испытаний и отмеченных выше факторов, а также обеспечения заявленных характеристик был разработан и изготовлен регенератор РГ-10БМ5 (рис. 2). В целом его конструкция аналогична изготовленным ранее регенераторам, но есть и отличия, которые, по нашим расчетам, позволят решить поставленные задачи:

  • с целью улучшения условий транспортирования и монтажа в отдаленных районах секция регенератора в отличие от РГ-10 разбита на два монтажных блока массой не более 10 тонн;
  • с целью получения коэффициента регенерации 0,8 поверхность теплообмена по сравнению с РГ-10БМ увеличена на 630 м2;
  • потери давления по продуктам сгорания снижены (с 3% до 2,35%) за счет увеличения сечения по межтрубному пространству вследствие изменения геометрии пучка змеевиков и увеличения поперечных габаритов трубной системы, а также изменения конструкции входного и выходного участков регенератора по продуктам сгорания;
  • потери давления по воздуху снижены (с 2,8% до 2,6%) за счет увеличения сечения по внутритрубному пространству из-за увеличения числа змеевиков и внутреннего диаметра трубки (толщина стенок теплообменных труб уменьшена с 1,0 мм до 0,8 мм).
Рис. 2. Регенератор РГ-10БМ5

В результате ожидаемая величина относительных суммарных потерь давления в регенераторе РГ-10БМ5 не превысит 5%.

Все изложенное говорит о том, что описанные регенераторы имеют с учетом конструктивных особенностей хорошую перспективу. Опыт конструктивных разработок, изготовления и результаты испытаний РГ-10 и РГ-10БМ для ГТК-10 были использованы при проектировании регенераторов для других газотурбинных установок.

Газотурбинные технологии, №6 (49), сентябрь 2006