Подготовка циклового воздуха при эксплуатации газотурбинных установок на газопроводах

Перед подачей атмосферного воздуха на вход осевого компрессора ГТУ, его всегда приходится очищать от естественной или промышленной пыли. Эта очистка необходима для предохранения прежде всего проточной части компрессора и всего воздушного тракта установки от механического износа (эрозии) и образования на поверхности проточной части воздушного тракта разного рода отложений. Некоторые виды промышленной пыли могут вызвать и коррозию проточной части ГТУ. Эрозия приводит к снижению ресурса лопаток осевого компрессора, а разного рода отложения - к ухудшению аэродинамики проточной части и, как следствие, снижению КПД и мощности ГТУ в целом [11].

Наиболее интенсивные отложения образуются на 1-3 ступенях компрессора. Интенсивность отложения зависит от вида и природы пыли, сочетания различных входящих в нее включений, режима работы самого осевого компрессора и т.п. Следует отметить, что интенсивность отложений увеличивается при наличии в цикловом воздухе какой-либо жидкой фазы.

На первой ступени компрессора интенсивный эрозионный износ прежде всего наблюдается в средней части лопаток. На второй ступени, полоса наиболее интенсивного износа смещается в прикорневую область. На третьей и всех последующих ступенях износ локализуется обычно в прикорневом сечении где наблюдается характерный «подрез» входной кромки, достигая в ряде случаев глубины 8-10 мм. От корня к периферии лопатки величина локального износа постепенно уменьшается.

Для обеспечения качественной очистки циклового воздуха, поступающего на вход осевого компрессора, газоперекачивающие агрегаты оборудуются комплексом воздухоочистительных устройств (КВОУ); в эксплуатации их иногда называют просто воздухозаборными камерами.

Для качественной очистки циклового воздуха используются различные типы фильтров, из них наибольшее распространение получили комплексные воздухоочистительные устройства, оборудованные жалюзийными и циклонными инерционными фильтр-элементами, а также поротивообледенительной системой.

Жалюзийно-инерционными фильтрами оборудованы практически все авиоприводные агрегаты. В этих устройствах воздух подается на вход фильтра через прямоугольные отверстия. Частицы пыли за счет инерции попадают в камеру, откуда отсасываются вентиляторами. Сам цикловой воздух очищается путем изменения направления движения. На некоторых типах агрегатов применяется двухступенчатая система очистки воздуха, состоящая из инерционно-жалюзийного фильтра первой ступени и фильтр-элемента кассетного типа на второй ступени.

В новых конструкциях воздухоочистительного устройства в основном используются две ступени очистки. В качестве первой ступени используются фильтры с элементами циклонного инерционного типа, а в качестве второй ступени – фильтры, изготовленные из специальной ткани. Именно этими фильтрами и оснащаются ГПА нового поколения типа «Урал-12М».

На агрегатах импортного производства, типа «Солар» и ГТК-25И последних разработок применяются самоочищающиеся фильтры с использованием в качестве защитного средства специальной бумаги. Их конструкция и работа несколько напоминают ранее используемые на КС самоочищающиеся масленые сетчатые фильтры.

Следует отметить, что несмотря на наличие различных фильтрующих устройств воздуха на входе осевого компрессора, тем не менее они не обеспечивают полную очистку и осевые компрессора (особенно первые его три ступени) в той или иной мере, в зависимости от региона эксплуатации подвергаются засорению. В связи с этим в эксплуатационных условиях используется очистка проточной части компрессора на ходу или при его прокрутке с помощью подачи на вход компрессора сухой крошки или специального моющего средства.

Кроме основного своего назначения – очистки поступающего наружного воздуха, комплексное воздухоочистительное устройство обеспечивает снижение уровня шума в районе воздухозаборной камеры, возникающего при работе осевого компрессора. Блок шумоглушения должен обеспечить согласно нормам СН1004-74 снижение уровня шума до величины порядка 75-80 дБ на частоте 1 кГц.

Воздухозаборная камера дополнительно оборудуется еще системой подогрева всасывающего циклового воздуха, исключающей возможность обледенения входного тракта при температурах наружного воздуха от +3 до – 5 ⁰С и при относительной его влажности ³ 80%.

Обледенению в той или иной степени подвержены все элементы воздухозаборного устройства (фильтры, шумоглушители, крепежные детали и т. п.). При появлении обледенения, гидравлическое сопротивление на входе ГТУ возрастает, что может привести не только к возникновению помпажа осевого компрессора, но и к разрушению некоторых узлов воздухозаборной камеры. Кроме того, оторвавшиеся куски льда могут быть занесены потоком воздуха в проточную часть осевого компрессора и вызвать ее разрушение.

В целях предупреждения обледенения входного тракта ГТУ используются противообледенительные системы различной конструкции, основанные на подогреве циклового воздуха при входе его в осевой компрессор, примерно на 8-10 ⁰С.

Обычно, в эксплуатационных условиях используют следующие схемы подогрева циклового воздуха [11]:

1. подогрев горячим воздухом, отбор которого осуществляется из воздухопровода за осевым компрессором или регенератором ГТУ. Эта схема обычно используется при эксплуатации стационарных и импортных ГТУ;

2. подогрев циклового воздуха осуществляется смесью воздуха, отбираемого после компрессора или одной из его ступеней, и выхлопных газов. Эта схема чаще используется при эксплуатации авиаприводных ГПА;

3. подогрев циклового воздуха теплым воздухом, отбираемым после АВО масла. Эта схема применяется на некоторых типах стационарных ГТУ, где АВО масла расположены под воздухозаборной камерой..

Подогрев элементов входного тракта ГТУ горячим воздухом, отбираемым за регенератором, является наиболее эффективным способом защиты их от обледенения.

При использовании данной схемы подогрева, смешение горячего и циклового воздуха осуществляется в специальных устройствах – смесителях. Место расположения этих смесителей и их конструкция зависят от типа агрегата. Так на агрегатах типа ГТК-10, ГТ-750-6 используются смесители кольцевого типа, устанавливаемые на всасывающем трубопроводе осевого компрессора.

Горячий воздух подается на смеситель по четырем каналам с дроссельными шайбами, регулирующих его расход. Схема обвязки обеспечивает отбор горячего воздуха после регенератора в равной степени из левого и правого трубопроводов. Контроль за работой электроприводной задвижки, регулирующей расход горячего воздуха, осуществляется с главного щита управления.

В некоторых типах газотурбинных установок, а также агрегатах с приводом от авиационных двигателей, в воздухозаборной камере дополнительно оборудуется еще система подогрева входного направляющего аппарата (ВНА). Горячий воздух после компрессора подается по трубопроводам в кольцевую полость цилиндра осевого компрессора и далее, пройдя по специальным каналам лопаток ВНА и подогревая их, сбрасывается в проточную часть компрессора.

Для регистрации возможных условий образования льда на входе в ГТУ в условиях эксплуатации используют следующие способы:

1. устанавливают термометр для замера температуры воздуха на входе в компрессор, а также термометр для замера температуры наружного воздуха. При достижении температуры +3 ⁰С и ниже до – 5 ⁰С система подогрева включается;

2. через специальные смотровые окна с подсветкой на корпус всасывающей камеры цилиндра осевого компрессора осуществляется визуальное наблюдение за состоянием поверхности входного направляющего аппарата (с целью определения начала процесса обледенения);

3. для автоматической сигнализации о появлении обледенения, специальный датчик, контролирующий состояние атмосферного воздуха по температуре и влажности сигнализирует о необходимости включения обогревающего устройства. Датчик, фиксирующий образования льда, встроен в инжектор, установленный после пылеулавливающих фильтров воздухозаборной камеры. К инжектору подводится горячий воздух из линии нагнетания компрессора, который расширяясь, подсасывает атмосферный воздух из камеры фильтров. При увеличении перепада давления на датчике при образовании льда, что фиксируется дифманометром, подается сигнал на включение системы обогрева.

Схема подогрева циклового воздуха с использованием тепла отходящих из турбины газов, используется на отечественных агрегатах типов ГПА-Ц-6,3 и ГПА-Ц-16, а также на импортных агрегатах типа ГТК-10И [11].

Система подогрева циклового воздуха агрегата ГПА-Ц-6,3 включает в себя две распределительные решетки, расположенные с двух сторон воздухозаборной камеры к которым при помощи эжектора, тройника и воздухопроводов, подаются выхлопные газы, отбираемые после ТНД.

Эжектируемый воздух отбирается за осевым компрессором и по трубопроводу подается в эжектор. В трубопроводе для управления работой системы предусмотрен вентиль с электроприводом, включенный в систему автоматического управления агрегатом.

При температуре наружного воздуха в диапазоне от + 3 до – 5 ⁰С, система подогрева циклового воздуха включается, а на пульте управления при этом загорается лампочка «Обогрев ВОУ». Одновременно, через специальные смотровые окна регулярно (примерно с интервалом 2 часа) осуществляется наблюдение за состоянием воздухозаборной камеры на отсутствие обледенения.

Следует отметить, что любая схема подогрева циклового воздуха на входе осевого компрессора – это вынужденная мера. Расчеты показывают, что увеличение температуры воздуха на входе осевого компрессора всего на 1 ⁰С практически для всех типов ГПА приводит к снижению относительной мощности агрегата на 1,2 – 1,5 %, а относительного КПД на 0,45-0,60%.