Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень — выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок

Ни для кого не секрет, что основная доля электроэнергии в мире вырабатывается за счет сжигания углеводородного топлива, в основном природного газа, угля и нефтепродуктов. А наиболее распространенным объектом выработки электроэнергии являются тепловые электростанции с турбома-шинами. Исторически сложилось, что большее развитее получили электростанции с паротурбинными установками (ПТУ), к тому же с термодинамической точки зрения, имеющие более высокий уровень КПД, нежели газотурбинные установки. Газотурбинные установки (ГТУ), главным образом, в силу высокой сложности создания эффективного компрессора, развивались значительно медленнее. Однако с внедрением новых материалов и технологий ГТУ получают новый импульс своем развитии, и современные ГТУ достигают уровня КПД порядка 40−41%.

Прочее конденсационное оборудование / /ТУ. ПГУ.

9%.

ТЭЦ

32,4%.

Энергоблоки.

30,9%.

ДЭС.

0,1%.

Рис. 1 — Структура установленной мощности электростанций ЕЭС России по состоянию на 2009 г [30].

В России, на сегодняшний день подавляющая часть генерирующих мощностей имеет в своей основе паротурбинные установки (рис. 1). При этом, из диаграммы видно, что порядка 65% мощностей приходятся на ПТУ работающие на углеводородном топливе (природный газ и уголь).

По данным Международного Энергетического Института, опубликованным член-корреспондентом РАН Клименко A.B., в своем докладе от 17 сентября 2011 года, на международной конференции «Эффективная генерация энергии», КПД теплоэлектростанций, работающих на угле и природном газе в России (рис. 2) составляют всего 32% и 33% соответственно. б).

Рис. 2 — КПД теплоэлектростанций, работающих на а) углеб) природном газе (данные МЭА)[16].

В настоящее время все большее распространение получают электростанции, имеющие в своем составе, так называемые комбинированные установки. Всевозможные варианты тепловых схем такого рода установок были подробно изучены в ведущих научных учреждениях СССР еще в 60-х годах. В результате этого анализа было установлено, что схема «газовая турбинакотел утилизатор (КУ) — паровая турбина» обладает большим термодинамическим потенциалом и наиболее проста в исполнении. Установки, основанные на этой схеме принято называть ГПУ КУ. В такой схеме основная доля вырабатываемой мощности приходится на ГТУ (около 70%). Таким образом проблема создания ГПУ КУ — это в первую очередь проблема создания высокоэффективной мощной газовой турбины. Сегодняшние технологии в области создания жаропрочных сплавов, термобарьерных покрытий и интенсивных систем охлаждения лопаточного аппарата и прочих деталей газовых турбин, позволяют создавать такого рода ГТУ. В результате, реально достигнутый КПД современных ГПУ с КУ состоящих из одной ГТУ и одной ПТУ составляет величину порядка 60% и больше при мощности электростанции около 570 МВт. На сегодняшний день такого уровня эффективности невозможно достичь ни на одной другой тепловой электростанции. На ряду с высокой термодинамической эффективностью, ГПУ так же значительно более экологичные по сравнению с сопоставимыми по мощности ПТУ. Уровень выбросов С02 у них ниже примерно на 40%.

В связи с высокими темпами развития такого направления в энергетике, как комбинированные газопаровые установки, задача создания мощных высокоэффективных стационарных ГТУ становится все более актуальной. В частности для России, где доля выработки электроэнергии приходящейся на ГПУ и ГТУ составляет всего 3% (рис. 1), вопрос создания такого рода ГТУ стоит особенно остро. Так, согласно плану модернизации Российской энергетики, основным типовым решением по модернизации газовых и угольных ТЭС должно стать унификация мощностного ряда ГПУ с использованием ГТУ мощностью 60−80 МВт, 100−130 МВт, 150−180 МВт, 270−300 МВт [30].

Рассмотрим основные особенности и характеристики мощных стационарных ГТУ класс G (Н) на примере установок ведущих мировых фирм производителей.

ГТУ 9FB фирмы General Electric (рис. 3), мощностью по 338 МВт, имеет коэффициент полезного больше 40%, а КПД комбинированного цикла с 9FB достигает величины больше 61% [51].

Рис. 3 — Газовая турбина 9FB фирмы General Electric (сверху) и ГПУ GE.

Flex Efficiency* 50 на базеГТУ 9FB: а) компрессорб) камера сгоранияв) турбина Компрессор данной ГТУ осевого типа с 3D лопаточным аппаратом имеет всего 14 ступеней. Турбина состоит из 4-ех ступеней, рабочие лопатки 3 и 4 ступени имеют бандажное уплотнение. В трубчато-кольцевой камере сгорания используется патентованная система сжигания DLN 2.6+, позволяющая достигать минимальных выбросов NOx.

На рис. 3 представлена компоновка электростанции GE с газопаровой установкой реализованной на основании ГТУ 9FB. Из рисунка видно, что установка спроектирована по простой схеме и имеет в своем составе одну ГТУ, КУ расположенный непосредственно за ней, ПТУ и один генератор. Мощность такой станции составляет по данным фирмы величину 510 МВт. Имея такие высокие показатели эффективности, подобная станция позволит сэкономить за год до 2,6 $ млн., работая по 4500 часов в год.

ГТУ SGT5−8000H (рис. 4) фирмы Siemense AG на сегодняшний день является самой мощной стационарной газотурбинной установкой в мире, ее мощность составляет 375 МВт. КПД турбоустановки по данным испытаний составил 40%, а КПД ГПУ — 60,75% [74].

Данная ГТУ выполнена по простой схеме, компрессор турбоустановки имеет 13 ступеней, турбина — 4 ступени. В отличии от установки General electric, обандаженной является только последняя 4 ступень. Камера сгорания, как и у 9FB трубчато — кольцевая. Сгорание топлива происходит по специальной технологии ULN.

На рис. 4 представлена компоновка станции SCC-8000H, на основе обозначенной выше ГТУ. Компоновка выполнена по простой схеме «один плюс один», как и в случае с GE, непосредственно за ГТУ установлен котел утилизатор, ПТУ находится перед ГТУ, а между ними расположен генератор. По данным испытаний в г. Иршинге (Германия), мощность станции составила 578 МВт.

В отличии от конкурентов, ГТУ GT26 (рис. 5) фирмы Alstom, выполнена по более сложной схеме — с промежуточным подводом тепла. Турбина в данной установки имеет 5 ступеней, и промежуточный подвод тепла осуществляется после первой турбинной ступени. Реализация такой схемы требует так же высокой степени сжатия в компрессоре, как следствие компрессор имеет 22 ступени. Обе камеры сгорания выполнены кольцевыми. Мощность.

Рис. 4 — Газовая турбина 8СТ5−8000Н фирмы 81етете АС (сверху) и ГПУ на базе ГТУ 8СТ5−8000Н.

ГТУ составляет 289 МВт, при коэффициенте полезного действия превышающим 40% [49]. Схема одного из вариантов ГПУ выполненной на основе вТ26 представлена на рис. 9.

Мощность станции составляет величину 431 МВТ, КПД станции достигает величины 58,7%.

Рис. 5 — Газовая турбина ОТ26 фирмы АШот (сверху) и ГПУ на базе.

ГТУ вТ-26.

Что же касается отечественной промышленности, то к сожалению линейка мощных стационарных газовых турбин весьма скромна, и по сути сводится всего к нескольким машинам, самые мощные из них, это ГТЭ-110 производства ОАО «НПО «Сатурн» и ГТЭ-160 производства СП ООО «Интертурбо». ГТЭ-160, как известно, машина, собирающиеся по лицензии принадлежащей фирме Siemens AG и по сути дела является установкой SGT5−2000E (V94.2). Поэтому ГТЭ-100 является чуть ли не единственной относительно современной моделью отечественной стационарной ГТУ большой мощности.

ГТЭ-110 это авиационный двигатель, конвертированный в стационарную энергетическую установку. ГТУ оснащена трубчато-кольцевой камерой сгорания, компрессор имеет 14 ступеней, в котором достигается степень сжатия 15,6. Турбина состоит из 4 ступеней. КПД ГТУ в простом цикле составляет по величину порядка 36% [14], при мощности 116 МВт. На рис. 6 представлен продольный разрез двигателя, из которого ясно видно его авиационное происхождение, что влечет за собой низкий по сравнению с чисто стационарными ГТУ.

542″.5.

Одновальная схема.

Двухвальная ^ схема.

1 газовая турбина ГГД-110.

2 — котел утилизатор

3 — дымовая труба.

4 • зона размещения питающих масосоо высокого и низкого давления.

5 • комплексное воздухоочистительное устройство.

6 — блочный щит управления.

7 ¦ генератор (165 МВт).

8 • генератор газовой турбины (110 МВт).

9 — паровав турбина (55 М8П.

10 — генератор паровой турбины (60 МВт).

11 автоматическая обгонная рдецепная муфта.

12 коробка припопов с оалоповоротным устройством.

Рис. 6 — Продольный разрез ГТЭ-110 фирмы ООО «НПО «Сатурн».

Комбинированные установки ПГУ-170, ПГУ-325 и ПГУ-500 на основе ГТЭ-110 предлагаемые ООО «НПО «Сатурн» имеют КПД 52% при мощности 170 МВт, 325 МВт и 500 МВт соответственно [20]. На рис. 6 представлен план компоновка ПГУ-170 в одновальном и двухвальном исполнении.

Все описанные ГТУ и ГПУ являются на сегодняшний день новейшими установками. При этом, несмотря на различия в конструкциях, и даже в тепловых схемах в них заложенных, для всех этих турбин существуют характерные особенности. Все ГТУ, за исключением ОТ-26, имеют всего по 4 турбинных ступени, которые являются сильно нагруженными вследствие этого. Наиболее нагруженными, как правило, получаются первые и последняя ступень. Однако повышение нагрузки на последнюю ступень неминуемо ведет к высоким скоростям потока на выходе. При этом, если взять во внимание высокие расходы рабочего тела проходящие через турбину (порядка 400−800 кг/с), то получается, что на выходе из последней ступени поток обладает огромным запасом не реализованной кинетической энергией. Потеря этой энергии ведет к снижению показателей эффективности ГТУ. В этой связи выходной диффузор, устанавливаемый за последней ступенью играет крайне важную роль. Известно, что выходной диффузор является неотъем-лимым элементом стационарной газовой турбины. В нем продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность ГТУ. Задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в потенциальную энергию сил давления, до сих пор остается довольно не простой и все более актуальной в связи с повышением единичной мощности ГТУ.

Из рис. 3, 4, 5 хорошо видно, что выходному диффузору уделяется не мало внимания. Высокие аэродинамические показатели выходного диффузора, как правило, влекут за собой солидные габариты, которые порой могут достигать размеров всего турбокомпрессора ГТУ. Тут же следует отметить, что даже при беглом рассмотрении продольного разреза ГТЭ-110 (рис. 6) и плана компоновки ГПУ на ее базе (рис. 11), можно предположить, что выходной диффузор отечественной машины скорее всего проигрывает в эффективности зарубежным.

Влияние выходного диффузора на эффективность ГТУ убедительно продемонстрировано в работе S. Farokhi «A Trade-Off Study of the Rotor Tip Clearance Flow in a Turbine/Exhaust Diffuser System «. Автор предлагает выражение, с помощью которого можно приблизительно оценить приращение мощности турбины в зависимости от эффективности выходного диффузора:

AN,. TV, кк.

• Ср ¦ Мг.

77, Т.

1 27 V т.

1 от где абсолютная величина изменения мощности турбины, ВтМт — мощность турбины при Ср = 0, Втк — показатель изоэнтропыТ2т — статическая температура газа за турбиной, С°- Тпт — статическая температура газа перед турбиной.

На рисунке 7 приращение мощности турбины представлено функциональной зависимостью от коэффициента восстановления давления Ср при различных числах Маха на выходе из турбины. Из рисунка видно, что при М=0,7 увеличение восстановительной способности диффузора на 10% ведет к увеличению мощности турбины примерно на 1%, что означает увеличение мощности всей ГТУ на величину около 3%. Этот пример наглядно иллюстрирует важность совершенствования восстановительной способности диффузора.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.

Ср, [-].

Рис. 7 — Приращение мощности турбины в зависимости от коэффициента восстановления давления, при различных числах Маха на выходе из турбины (на основании характеристик ГТУ ?84. ЗА).

Поскольку энергетические ГТУ на электростанциях, зачастую используются как самостоятельный агрегат (пиковые и полупиковые электростанции), то следует уделять большое внимание работе выходного диффузора и на переменных режимах ГТУ. И в этом смысле на выходной диффузор еще накладывается задача устойчивой работы при различных углах закрутки входящего в него потока.

Не смотря на высокий уровень развития СГБ методов расчета для широкого круга задач в турбомашиностроении, опыт показывает, что достоверным можно считать только результаты, подтвержденные экспериментальным путем. Поскольку структура входящего в диффузор потока, а особенно структура вблизи его стенок, оказывает решающее влияние на эффективность диффузора, то проведение экспериментальных исследований выходного диффузора совместно с предвключенной ступенью можно считать наиболее оправданными с точки зрения соответствия полученных результатов действительности. Сочетание «ступень — диффузор» открывает совершенно новые возможности для повышения качества машины не только за счет совершенствования газодинамики диффузора, а всего блока в целом. Такой эксперимент позволяет получить количественную оценку для каждого элемента рассматриваемой системы в результате взаимного влияния рабочего процесса в проточной части последней ступени и выходного диффузора. Предвключенная ступень является не только генератором реального, входящего в диффузор потока, то есть действительных граничных условий, но и одновременно представляет собою индикатор по оценке повышения эффективности всего блока в целом, которое обеспечивается диффузором. Это качество модели «ступень — диффузор» открывает новые перспективы для поиска оптимальной конструкции блока с целью достижения наилучших его газодинамических свойств.

Цель и задачи исследования

Целью работы является экспериментальное и численное исследование и совершенствование эффективности блока «последняя ступень — выходной диффузор» стационарных газовых турбины большой мощности, предназначенных для работы в составе комбинированных ГПУ.

Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:

• экспериментальное получение интегральных характеристик блока «ступень — диффузор» и его составляющих в широком диапазоне режимов работы ступени;

• определение влияния геометрических параметров формы силовых стоек опоры заднего подшипника на эффективность работы диффузора на основе физического эксперимента;

• численное исследование структуры потока в блоке «последняя ступеньвыходной диффузор» для углубленного анализа результатов физического эксперимента и оценки точности результатов численных расчетов по использованным программам.

Научная новизна полученных результатов заключается в:

• применение новой методики экспериментального исследования и оценки показателей блока «последняя ступень — выходной диффузор» энергетической турбины;

• получении интегральных характеристик блока «последняя ступень — выходной диффузор» и состав полей трехмерного потока за ступенью, спроектированной по закону обратной закрутки;

• выполнение численного исследования трехмерного потока вязкой сжимаемой жидкости с использованием программы ANSYS CFX и сравнение результатов численного и физического экспериментов.

Практическое значение полученных результатов:

• усовершенствована и практически опробована методика экспериментального оценки выходных диффузоров, работающих совместно с предвклю-ченной ступенью, в широком диапазоне режимов ее работы;

• экспериментально получены трехмерные распределения скоростей и параметров потока за ступенью, спроектированной по закону «обратной закрутки», и работающей совместно с выходным диффузором, в широком диапазоне режимов ее работы;

• показано влияние формы силовых стоек опоры заднего подшипника, расположенных в проточной части диффузора, на его эффективность в широком диапазоне работы предвключенной ступени;

• провалидирована расчетная модель блока «последняя ступень — выходной диффузор».

Апробация работы:

• Политехнический симпозиум 20 мая 2010 года «Молодые ученые — промышленности северо-западного региона».

• Международный семинар по проблемам выходных диффузоров турбин «Diffuser Workshop 2010», июль 2010.

Личный вклад соискателя заключается в следующем:

• участие при проектировании, изготовлении и монтаже экспериментальных моделей, частей опытного стенда ЭТ-4 и разработка схемы измерений;

• участие в проведении экспериментальных исследований в составе группы аэродинамики лаборатории им. И. И. Кириллова СПбГПУ;

• обработка и анализ полученных опытных данных по разработанной методике;

• численное исследование рассматриваемого объекта «последняя ступеньвыходной диффузор и валидирование кода АЫЭУБ СБХ с помощью физического эксперимента.

Автор защищает:

• методику проведения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик блока «последняя ступень — выходной диффузор» и методику оценку результатов экспериментальных данных;

• расчетную модель блока «ступень — диффузор»;

• результаты экспериментально — расчетных исследований.

5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Установка диффузора в базовом варианте с профилированными стойками на расчетном режиме при и/С0 = 0,502 обеспечивает существенное повышение КПД блока «ступень — диффузор», величина которого составляет 9%. Такое повышение эффективности блока вполне оправдывает развитую конструкцию выходного диффузора для энергетических ГТУ большой мощности.

2. Эффективность исследованного комбинированного диффузора со стойками с предвключенной ступенью на базовом режиме при а2 «69° характеризуется достаточно высоким коэффициентом Ср = 0,68.

При переходе на сниженные режимы, восстановительный процесс в диффузоре существенно ухудшается из-за отрывных явлений в потоке, вызванных углами атаки при обтекании профилированных стоек, и при 70% нагрузки величина Ср падает до значения 0,36.

3. Эффективность собственно ступени на расчетном режиме снижается примерно на 3% из-за отрицательного обратного потенциального влияния пяти профилированных стоек на течение в ступени.

4. Сравнение результатов экспериментов с различными типами стоек и без них показывает, что на расчетном режиме установка любого типа стоек приводит к существенному улучшению восстановительного процесса в диффузоре данной конструкции, так как в пространстве расположения стоек выполнено специальное профилирование диффузора, которое в варианте без стоек приводит к отрыву потока.

5. Применение стоек с симметричным профилем сечения в исследованной конструкции диффузора обеспечивает меньшие потери кинетической энергии как в диффузоре в целом, так и в блоке «ступень — диффузор» во всем исследованном диапазоне режимов. Этот факт объясняется меньшей «чувствительностью» симметричных стоек к отрицательным углам атаки и меньшей поверхностью трения в потоке, по сравнению с профилированными стойками.

6. Применение СББ анализа с использованием коммерческого кода СБХ для проведения качественной оценки в данном типе задач «последняя ступень — выходной диффузор» можно считать оправданным, и следует рекомендовать его для анализа конструкций при проектировании подобных устройств.

7. Расчетные поля давлений, скоростей и углов потока в сечении 2−2 хорошо коррелируют с экспериментальными данными, за исключением пристеночных слоев, во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.

8. Характер расчетных интегральных характеристик ступени и блока «ступень — диффузор» совпадает с экспериментальным, но в количественном отношении расчетные величины превышают экспериментальные в среднем на 2.3%.

9. С целью более тщательного моделирования вторичных течений в прикорневых областях кольцевого диффузора в сечении 2−2 следует рекомендовать изменить подход к решению задачи на нестационарный.