ПОВЫШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ КОМПРЕССОРОВ ВПРЫСКОМ ВОДЫ В ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ

В статье сообщается об основных результатах исследований СПбГПУ по улучшению характеристик работы компрессоров впрыском воды в проточную часть. Результаты экспериментальных и расчетных исследований свидетельствуют о высокой эффективности впрыска.

В настоящее время имеются многочисленные примеры успешного применения впрыска воды в компрессора для роста их кпд и производительности. Вместе с тем опыт работы компрессоров свидетельствует, что положительные результаты могут быть достигнуты только при определенных условиях его внедрения. Если эти условия не выполняются, то возможно появление следующих отрицательных факторов от впрыска:

• эффективность применения впрыска может быть не высока или даже отрицательна,

• возможна эрозия или недопустимая вибрация лопаток компрессора,

• задевание лопаток о корпус,

• чрезмерное усложнение устройств для впрыска воды или неправильная их организация.

Кафедра турбинных двигателей и установок СПбГПУ располагает расчетным и экспериментальным опытом использования впрыска воды в осевые и центробежные компрессора для улучшения характеристик их работы. Он включает в себя как экспериментальные и опытно - промышленные работы на натурных агрегатах, так и разработку программ и проведение по ним расчетов процессов движения и испарения воды в проточной части компрессоров, параметров отдельных ступеней и всего компрессора в целом.

По осевым компрессорам опыт работы с впрыском воды в проточную часть получен на компрессорном стенде НПО ЦКТИ для модели компрессора ГТЭ-150 [1], на компрессорах газотурбинных установок ГТЭ-25 ТМЗ и ГТТ-3 Новгородского и Невинномысск ого ПО "Азот" [2]. Конструкции устройств, применявшихся в исследованиях, были выполнены в виде:

• насадков, расположенных в корпусе компрессора, «заподлицо» с поверхностью корпуса. Насадки располагались как перед лопаточным аппаратом компрессора, так и в середине его. Из насадков вытекают струи воды, проникающие от корпуса компрессора внутрь потока воздуха на заданную глубину.

• Отверстий в полых стойках переднего подшипника компрессора или в, прикрепленных к ним трубках.

В опытах на стенде НПО ЦКТИ весьма подробно, исследовались и газодинамические и вибрационные характеристики работы ступеней компрессора. Был отмечен значительный рост степени повышения давления компрессора и устойчивости его работы - изодромы компрессора существенно смещались в вверх и вправо на характеристике его работы (рис.1). Ухудшения вибрационных характеристик ступеней не наблюдалось, несмотря на значительное количество впрыскиваемой воды (до 3% от расхода воздуха).

Испарительное охлаждение воздуха также существенно увеличивает кпд компрессора (рис.2). Каждый процент впрыскиваемой воды в компрессор, работающий на номинальной нагрузке, увеличивает его кпд на 3…4 % относительных. Если же в процессе эксплуатации кпд компрессора оказался ниже расчетного, то впрыск воды восстанавливает его до расчетного значения и затем из-за испарительного охлаждения повышает его на указанную ранее величину. В данном случае восстановление кпд до расчетного значения происходит потому, что вследствие испарительного охлаждения воздуха кпд ступеней компрессора по их расходно – напорным характеристикам смещается в оптимальную по кпд область. Такое явление имело место в опытах на установке ГТУ – 25у ТМЗ на частичных режимах нагрузки (рис.2).

Впрыск воды в компрессор был внедрен на 8 технологических газотурбинных установках ГТТ-3 Невинномысского ПО "Азот". Вследствие сравнительно малых степеней повышения давления влияние испарительного охлаждения впрыскиваемой воды было невелико - кпд и производительность возрастали на 1 - 2%. Однако, впрыск воды был очень полезен для очистки компрессора "на ходу" - при этом кпд и производительность увеличивались на 3 - 4% и существенно возрастала устойчивость его работы.

Успешное применение впрыска, без указанных выше возможных отрицательных моментов, требует разработки расчетных методов определения параметров работы компрессора с впрыском воды. Эти методы создавались одновременно с экспериментальными исследованиями. Разработанный комплекс программ позволяет рассчитывать:

• Процессы движения и испарения воды (капель, пленок, струй) в проточной части компрессора при различных ее расходах, размерах капель, месте и способе ввода воды и др.,

• Дополнительные потери энергии в компрессоре, возникающие в результате наличия влаги в проточной части: потери энергии из-за наличия пленки на поверхностях проточной части, потери торможения рабочих колес при сепарации на них капель, потери на разгон капель потоком воздуха, затрат энергии на сжатие паров испарившейся воды.

• Параметры работы отдельных ступеней и всего компрессора в целом с учетом испарения влаги, изменения коэффициентов расхода, напора, кпд и указанных выше дополнительных потерь,

• Эрозионное и вибрационное воздействие воды на лопатки компрессора,

Для определения характеристик работы компрессора осуществлялся, по существу, поступенчатый расчет компрессора, выполняемым по заданным характеристикам ступеней. В расчете учитывались изменения коэффициентов расхода ступеней из-за водоиспарительного охлаждения, коэффициентов напора, кпд, и устойчивости работы ступеней, количество испарившейся влаги и дополнительные потери от влажности. Далее программы позволяли определять общие параметры работы компрессора в целом. Результаты расчетов по разработанным программам достаточно хорошо согласуются с результатами экспериментов. Это подтверждается как материалами, приведенными на рис.1 и 2, так и сопоставление результатов расчетоа и экспериментов для компрессоров низкого и высокого давлений ГТУ-20 Кировского завода и ДВ-90 НПО «Машпроект».

На рис.3 в качестве примера показаны результаты расчетов для компрессора мощной перспективной энергетической ГТУ со степенью повышения давления 27. Для представления об интенсивности испарения воды в лопаточном аппарате компрессора на рис.3а приведены результаты расчетов для случая впрыска 2% воды от весового расхода воздуха. Расчеты произведены для номинального режима работы компрессора и впрыске воды в различные ступени. Характерно, что вся впрыскиваемая вода полностью испаряется в пределах лопаточного аппарата компрессора. Значения положительных и отрицательных факторов воздействия впрыска на параметры компрессора перспективной ГТУ показаны на рис.3б. Здесь результаты расчетов приведены для случая впрыска воды перед лопатками компрессора. Важно отметить, что в целом результат воздействия впрыска остается положительным – кпд компрессора возрастает на 4…6 %.

Результаты аналогичных расчетов для других компрессоров показывают, что влияние впрыска на их параметры работы существенно зависят от типа компрессоров, производительности, уровня давлений и т. п. Происходящие в проточной части процессы движения и испарения воды и, соответственно, воздействие впрыска может в значительной мере отличаться для различных компрессоров. Все это требует в каждом случае индивидуального подхода для определения характеристик работы компрессоров с впрыском воды. С помощью указанных программ возможно определение оптимальных условий применения впрыска воды, при которых эффект от его внедрения наибольший, а опасность эрозии, избыточной вибрации лопаток, коробления корпуса компрессора и задевания рабочих лопаток о корпус отсутствуют. Программы расчетов дают возможность правильно выбрать место впрыска, расход воды, высоту смачиваемой части лопаток компрессора, способ ввода воды в проточную часть и, соответственно, конструкцию устройств для впрыска и др. Кроме того, данные программы позволяют рационально организовать промывку компрессора «на ходу» путем впрыска конденсата в каждую ступень (или группы ступеней).

Программы открывают путь для дальнейшего совершенствования системы впрыска воды в компрессор. Это достигается путем внедрения «рассосредоточенного» впрыска, то есть впрыска одновременно в несколько ступеней в соответствии с их возможностями испарения.

По центробежным компрессорам имеется опыт освоения и длительной эксплуатации с впрыском воды в проточную часть. Среди них отметим реа-лизацию впрыска в компрессора К-1290 аммиачного производства ПО "Электрохимпром" г. Чирчик и ПО "Азот" г. Фергана, в нагнетатель К-540 производства азотной кислоты ПО "Азот" г. Невинномысска, в компрессор К-1700 Новолипецкого металлургического комбината.

Степень воздействия впрыска на параметры работы центробежных компрессоров во многом разная и зависит не только от его производительности, уровня давлений, температур воздуха, наличия промхолодильников и др., но и в значительной мере от места впрыска, качества работы промхолодильников и влагоулавливающих устройств за ними. В качестве примера влияния впрыска воды на работу центробежного компрессора приведем результаты экспериментальных исследований на К-1700. На рис.5 показана зависимость производительности компрессора от места впрыска и расхода воды. При этом давление воздуха за компрессором поддерживалось постоянным. Как видно, впрыск воды в первую и вторую секции данного компрессора повышал его производительность до 8%, а в третью секцию и перед промхолодильниками - существенно меньше. Отметим, что эти испытания проводились на сравнительно чистом компрессоре, когда температуры воздуха за промхолодильниками не превышали 60 гр.С. Если же данные температуры будут возрастать, то эффективность впрыска значительно увеличиться.

Аналогичные результаты были получены и в работе компрессоров К-1290. Здесь был достигнут рост расхода воздуха до 5…6%. Компрессора работали непрерывно с впыском воды в течение года, последующий осмотр проточной части не показал наличие следов эрозии и коррозии. Важно отметить, что в этих компрессорах впрыск существенно менял величину осевого усилия и, как следствие, температуру масла в упорных подшипниках. В процессе эксплуатации впрыск использовался таким образом, чтобы указанные температуры масла не превышали допустимые.

В процессе эксплуатации данных компрессоров нередки периоды их работы, когда из-за загрязнения промхолодильников температура воздуха за ними превышает расчетную температуру на 30…40 градусов. Это существенно уменьшает производительность и кпд компрессора – до 10% и 5% соответственно. По предварительным оценкам впрыск воды может полностью компенсировать отрицательное воздействие загрязнения промхолодильников. Количество впрыскиваемой воды при этом не превысит примерно 0,8 % от расхода воздуха.

Компрессор К-540 не имеет промхолодильников. В процессе эксплуатации его температура газов на входе была повышенной– до 70 гр.С. вместо 40 гр.С. по регламенту. Впрыск воды перед лопаточным аппаратом увеличил его производительность на 12%, при этом давление за компрессором поддерживалось постоянным.

Во всех указанных случаях для предотвращения появления отложений в проточной части компрессоров в качестве впрыскиваемой воды использовался конденсат или деминерализованная вода.

В связи с многообразием типов центробежных компрессоров и условий применения впрыска потребность в расчетных методах определения параметров из работы, по нашему мнению, превышает таковую для осевых компрессоров. В СПбГПУ разработан такой комплекс программ. По своим возможностям он аналогичен описанному выше комплексу программ для осевых компрессоров. Он включает в себя и программа расчетов параметров воздуха за промхолодильниками в случаях изменения расхода воздуха через него, температуры воздуха перед ними, орошения их поверхностей водой и конденсации паров воды из воздуха на поверхностях. Процессы, связанные с орошением поверхности промхолодильников водой, рассматривались с целью выявления возможности более глубокой интенсификации их работы. Указанный комплекс программ дает возможность найти оптимальные условия ввода воды в компрессор.

В СПбГПУ также имеется опыт интенсификации работы аппаратов воздушного охлаждения, служащих в качестве промхолодильников компрессоров и воздушных конденсаторов. Интенсификация производится путем орошения водой поверхностей теплообменников. Системы орошения позволяют экономно использовать воду: правильно распределять ее по различным зонам теплообменных поверхностей, избежать попадания воды на электропривод вентиляторов аппаратов и др. Эти системы были апробированы на ПО «Электрохимпром» г. Чирчик.

Помимо программ СПбГПУ располагает опытом организации устройств для вроыска воды, проведения испытаний и методикой обработки результатов опытов. СПбГПУ может выполнить все проектные работы и в кооперации с другими предприятиями изготовить и поставить необходимое оборудование.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004