6. Комбинированные теплообменные аппараты
Разработка и внедрение новых комбинированных тепловых схем ГТУ требует создания более совершенных унифицированных теплообменных аппаратов, способных обеспечить одновременно регенерацию и теплофикацию, регенерацию и получение пара с последующим его вводом в камеру сгорания или регенерацию, теплофикацию и получение пара с вводом в КС в целом. В настоящее время все газотурбинные установки выпускаются с выходными патрубками, к которым с помощью переходных устройств может быть подсоединено практически любое теплообменное оборудование. В связи с этим заводы-изготавители перешли на изготовление унифицированных теплообменников секционного типа специальной конструкции.
Студент-дипломник, разрабатывающий тот или иной вариант ГТУ должен ориентироваться на передовой опыт применения комбинированных теплообменников в газотурбиностроении в частности унифицированных регенераторов.
На многих газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов ОАО"ГАЗПРОМ" установлены газотурбинные агрегаты мощностью 6 и 10 МВт с регенеративным циклом. На этих агрегатах применены пластинчатые регенераторы, которые при работе в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок, выходят из строя и требуют замены из-за потери плотности, так как практически неремонтопригодны.
Для обеспечения замены пластинчатых регенераторов, потерявших плотность, в 1990 году было принято решение освоить на ОАО “Машиностроительный завод ЗИО-Подольск” производство надежных, эффективных трубчатых регенераторов, способных стабильно работать в условиях высоких температур и термоциклических нагрузок. Конструкции трубчатых регенераторов, создаваемых на заводе, разработаны на основе проверенного отечественного и зарубежного опыта разработки и производства трубчатых регенераторов с учетом технологических возможностей завода, и имеющихся наработок по проектированию, изготовлению оборудования АЭС и эксплуатации аналогичного теплообменного оборудования.
В соответствии с исходными требованиями ОАО "Газпром" на "'ЗИО-Подольск'" в 1991 году был разработан головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 со степенью регенерации 0,81 для замены пластинчатою регенератора (с фактической степенью регенерации ~ 0,65) для газотурбинного агрегата ГТК-10-4
В процессе разработки были проведены научно-исследователь-ские, расчетные и опытно-конструкторские работы в обоснование конструкции регенератора, проведены тепловые, гидравлические, термоциклические испытания на моделях. Большое внимание уделялось надежности и технологичности конструкции, отработке узла заделки труб в трубных досках с помощью вальцовки и сварки, их стойкости к термоциклическим нагрузкам, обеспечению плотности, компенсации температурных расширений. Полученные результаты испытании и исследовании были заложены в расчетные модели, программы, в тепловые, гидравлические и прочностные расчеты, расчеты температурных полей.
Головной вертикальный трубчатый регенератор РВП-3600-01 изготовленный на "ЗИО-Подольск", был смонтирован и' прошел испытания на Писаревском ЛПУ МГ "Волгоградтрансгаз". В результате испытаний установлено повышение мощности агрегата с 6,5 МВт (при пластинчатом регенераторе) до 9,2 МВт и увеличение эффективного КПД агрегата до 30.3%. Начиная с 1993 г. регенератор обеспечивает устойчивую и надежную работу агрегата, экономию природного газа и снижение эксплуатационных расходов. Аналогичные результаты получены на многих компрессорных станциях при эксплуатации подобных вертикальных трубчатых регенераторов типа РВП-3600-02.
За период с 1992 г. по настоящее время на "ЗИО-Подольск" разработано, изготовлено 10 типов регенераторов. В настоящее время заводом поставлено более 210 комплектов регенераторов. Регенераторы выполняются двухсекционными. Каждая секция корпусного регенератора представляет собой прямотрубный осесимметричный кожухотрубчатый аппарат с компенсатором на корпусе. Продукты сгорания двигаются внутри труб, воздух многократно омывает трубы в межтрубном пространстве за счет установки перегородок. Симметричная конструкция и наличие компенсатора на корпусе секции обеспечивают компенсацию разности температурных расширений корпуса и труб. Трубы закреплены в трубных досках вальцовкой и сваркой по отработанной на заводе технологии, что позволяет повысить надежность конструкции, устранить утечки воздуха. Трубчатый регенератор удобен в эксплуатации, ремонтопригоден, конструкция позволяет при необходимости выполнять ремонт узла соединения труба - трубная доска и глушение труб в случае возникновения неплотностей. В конструкции применены углеродистые и низколегированные стали, качество которых проверено в течение многолетнего сотрудничества с российскими предприятиями. Для элементов, работающих при температурах до 450°С, применяются стали 22К, 16ГС, 09Г2С, при более высоких температурах (до 550°С) - стали 12ХМ, 15ХМ, трубы из стали 15ХМ. Конструкторские решения и материалы, принятые в проектах регенераторов, подтверждены тепловыми, аэродинамическими, прочностными и коррозионными испытаниями, а также металлографическими и технологическими исследованиями. В процессе изготовления были уточнены требования по консервации и расконсервации перед эксплуатацией регенераторов, повышено качество изготовления.
Качество регенераторов, изготовленных на "ЗИО-Подольск", гарантировано многолетним опытом производства на заводе аналогичного теплообменного оборудования, наличием квалифицированных специалистов, современного технологического и сварочного оборудования, неразрушающих методов контроля и служб контроля качества. Основное внимание уделяется обеспечению надежности. Срок службы регенераторов составляет не менее 20 лет, ресурс работы не менее 120 тыс. час., число циклов (пуск/остановок) – не менее 1000. Трубчатые регенераторы, изготовленные "ЗИО-Подольск" отвечают требованиям промышленной безопасности ПБ 10-115-96.
Регенераторы комплектуются трубопроводами обвязки, газоходами до здания КС, площадками с лестницами, стальными опорными конструкциями, дымовыми трубами и дополнительными элементами по требованию заказчика.
Для модернизации агрегатов ГТК- 10-4 завод разработал, серийно изготовил и поставил 38 вертикальных трубчатых регенераторов РВП-3600-02, разработанных на основе регенератора РВП-3600-01 с учетом пожеланий заказчиков по улучшению условий монтажа, (боковой подвод продуктов сгорания, поворотное устройство, устанавливаемое на нулевой отметке).
С 1998 года заводом освоено производство вертикальных регенераторов РВП-3600-03, секции которых на 5 т легче секций РВП-3600-02 за счет применения длинномерных труб (шесть ходов по воздуху вместо четырех) и снижения металлоемкости корпуса. В следующей модификации дополнительное снижение массы секции регенератора типа РВП-3600-03 достигается применением тонкостенных труб с толщиной стенки '0,8 мм (вместо 1 мм). Применение таких труб для РВП-3600-04 позволило снизить массу секции еще на 5 т. при сохранении остальных основных характеристик. Завод изготовил головной образец РВП-3600-04, который смонтирован, испытан и пущен в эксплуатацию на КС Александров Гай "Югтрансгаза".
Для комплектации вертикальных регенераторов типа РВП-3600-02, РВП-3600-03, РВП-3600-04 агрегатов ГТК-10-4 разработана техдокументация и изготавливаются байпасные утилизационные теплообменники УТБ- 1,5-0,6 и УТБ-1,5-0,6-130 мощностью 1,5 МВт и температурой воды на выходе 115 и 130°С, соответственно. Выпущенные заводом и смонтированные регенераторы РВП-3600-02 могут быть доукомплектованы запасными утилизаторами по заявке заказчиков.
По специальному заказу "Сургутгазпрома" для модернизации агрегатов ГТК-10-4 были разработаны трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800, которые из условий имеющихся ограничений по габаритам и несущей способности существующих фундаментов выполнены со степенью регенерации 0,68, относительным суммарным сопротивлением 4,2 % и уменьшенной массой секции до 24 т. Секции РГУ-1800 устанавливаются на фундаменты заменяемых секций пластинчатого регенератора с помощью переходных опорных рам при минимальном объеме работ при монтаже. Повышение эффективности следующих модификаций на основе РГУ-1800 было достигнуто за счет интенсификации теплообмена путем нанесения на теплообменные трубы внутренних периодически повторяющихся выступов. Выступы формируются путем наружной обкатки труб специальным инструментом.
Трубчатые горизонтальные регенераторы РГУ-1800-01 с интенсификаторами теплообмена имеют степень регенерации 0,73, суммарное относительное сопротивление - не более 5%, масса секции - не более 24 т. Приёмочные испытания головных регенераторов РГУ-1800-01 проведены на КС “Урдома” и "Синдора" "Севергазпрома". Полученные результаты подтвердили заложенные в проекте характеристики. Мощность модернизируемых агрегатов практически восстановлена до проектной.
Регенераторы РГУ-1800-01 комплектуются полнопоточными утилизаторами типа УТ-1,5-0,6 (рис.7) или УТ-2,5-0,6 (рис.8) и байпасным утилизатором типа УТБ-3,5-0,6 УХД.
Для "Мострансгаза" (КС "Алгасово") и "Тюментрансгаза" были разработаны и поставлены новые модификации регенераторов
Р
егенератор
РГУ-1800-01
– Степень регенерации = 0,73
– Суммарное относительное сопротивление = 5%
– Масса секции – 24 т.йййййййййй
Утилизатор УТ-2,5-0,6
– Тепловая мощность – 2,6 МВт
– Давление по трубному пространству – 0,6 МПа
– Температура воды на выходе 115°С
Рис. 7. Компоновка регенератора РГУ-1800-01
с полнопоточным утилизатором УТ-1,5-0,6
Регенератор
РГУ-1800-01
– Степень
регенерации = 0,73
– Суммарное
относительное сопротивление = 5%
– Масса секции –
24 т.
Утилизатор
УТ-2,5-0,6
– Тепловая мощность
– 2,6 МВт
– Давление
по трубному пространству – 0,6 МПа – Температура
воды на выходе 115°С
Рис. 8. Компоновка регенератора РГУ-1800-01 с полнопоточным утилизатором УТ-1,5-0,6
РГУ-1800-02, которые отличаются от РГУ-1800-01 присоединительными размерами и отсутствием утилизаторов тепла
Для модернизации агрегатов типа ГТ-750-6 были разработаны и изготовлены горизонтальные регенераторы РВП-2400.
Регенератор РВП-2400 горизонтального типа для агрегата ГТ-750-6 прошел испытания на Воскресенском ЛПУ "Мострансгаз'". Результаты испытаний показали, что характеристики регенератора соответствую технической документации Для различных компоновок компрессорных станций типа КС “Воскресенск”, КС "Острогож" ("Алтай"') для "Мострансгаз" и "Югтрансгаз" с регенераторами типа РВП-2400 разработана техдокументация и изготавливаются трубопроводы обвязки секций. Трубопроводы могут поставляться как в комплекте с регенераторами РВП-2400, так и отдельно по заявке Заказчика.
Для агрегатов типа ГТ-750-6М на КС "Острогоржск" "Мострансгаза"'. имеющие ограничения по компоновке, разработан и изготовлен вертикальный трубчатый регенератор РВП-2400-01 (рис.9) с массой секции 34 т с полнопоточными утилизаторами УТ- 1,75 -0,7.
Для "Югтрансгаза" разработана, изготовлена и поставлена унифицированная конструкция регенератора РВП-2400-01 с байпасным утилизатором тепла.
Регенераторы производства ОАО "Машиностроительный завод ЗИО-Подольск - Подольск" кожухотрубчатого типа с компенсатором на корпусе надежные в эксплуатации, головной образец, например, в течении 10 лет работает без потери плотности. Степень регенерации их выше заменяемых пластинчатых регенераторов. Конструкция
Рис. 9. Секция регенератора РВП-2400-01
ремонтопригодна позволяет при необходимости провести глушение любой теплообменной трубы. К недостаткам кожухотрубчатых регенераторов типа РВП-3600 и РВП-2400 при замене существующих пластинчатых следует отнести их металлоемкость, затраты на доставку, монтаж с применением большегрузной техники и укреплением фундаментов при необходимости.
Перспективные разработки ОАО "ПК ЗИО-ПодольскМАР" направлены на усовершенствование существующих и создание новых конструкций регенераторов - хорошо вписывающихся в компоновку КС позволяющих проводить монтаж без использования большегрузной грузоподъемной техники без демонтажа дымовой трубы и утилизационного теплообменника.
Для агрегатов типа ГТК-10-4, эксплуатирующихся на компрессорных станциях магистральных газопроводов, расположенных в северных и труднодоступных районах, имеющих ограничения по возможности доставки грузов и грузоподъемной техники, при модернизации и капитальном ремонте рекомендуется применять блочно - секционные регенераторы. Блочно -секционные регенераторы поставляются на монтаж транспортабельными блоками небольшой массы по 5... 10 т.
Учитывая опыт изготовителя, монтажа и испытаний блочно секционных регенераторов других предприятий, а так же требования заказчиков ОАО ИК «ЗИО-ПОДОЛЬСКМАР» был разработан и на ОАО «Машиностроительный завод «ЗИО-Подольск - Подольск» изготовлен головной образец блочно - секционного регенератора РВП-ЗОООБС.
РВП-ЗОООБС собирается из транспортабельных блоков максимальной заводской готовности. Технические характеристики и компоновка РВП-ЗОООБС представлена на рис.10.
Регенератор состоит из двух секций, каждая секция из четырех теплообменных блоков массой не более 7,1 т; поставляемых на монтаж конфузора, диффузора, элементов трубопроводов воздуха, компенсатора газохода, опорных рам. Поверхность нагрева трубного пучка теплообменного блока выполняется из труб сталь 15ХМ, воздух движется в грубном пространстве, продукты сгорания - в межтрубном пространстве. Закрепление труб в трубные доски - на вальцовке и сварке. При монтаже первый теплообменный блок устанавливается на опорные (переходные) рамы (закрепляемые на имеющихся свайных фундаментах) и последовательно устанавливаются остальные 3 блока проводится сварка по коллекторам и обшивке. Затем монтируется диффузор, конфузор, трубопроводы воздуха, компенсатор газохода и другие элементы.
Разработан новый блочно - секционный регенератор РВП-ЗОООБС-01 с массой секции до 1 8т, массой поставочных блоков до 5т. В настоящее время ведется производство серии новых блочно - секционных регенераторов РВП-ЗОООБС-01(рис.11).
Основное направление перспективных разработок регенераторов направлено на снижение массы поставочных блоков, стоимости, повышение их технологичности и надежности.
Номенклатура регенераторов производства ОАО "Машиностроительный завод ЗИО-Подольск-Подольск" предоставляет Заказчику широкий выбор типов регенераторов в зависимости от расположения,
Р
Степень регенерации
– 0,75 Суммарное
относительное сопротивление,% - не более
5 Масса
блока не более, Т – 7,1 Общая
масса секции, Т - 28
Р
Степень регенерации
– 0,75 Суммарное
относительное сопротивление,% - не более
5 Масса
блока не более, Т – 4,7 Общая
масса секции, Т – 17,5
ОАО "ИК ЗИО-ПОДОЛЬСКМАР" и "Машиностроительный завод ЗИО-Подольск - Подольск" с участием заинтересованных организаций работают над дальнейшим совершенствованием трубчатых регенераторов, ведутся работы по оптимизации и унификации конструкций, снижением массы поставочных узлов. ОАО "ИК ЗИО-ПОДОЛЬСКМАР" и ОАО "Машиностроительный завод ЗИО-Подольск – Подольск” имеют возможность разработать и изготовить регенераторы вертикального и горизонтального исполнения по требованиям заказчиков для. перспективных газотурбинных установок с регенеративным циклом. Возможна поставка регенераторов в комплекте с утилизаторами. Завод имеет технологические и производственные возможности по наращиванию выпуска регенераторов.