Применение термохимически стойких фильтрующих материалов на ГТУ

ГК «Обнинские Фильтры» (г. Обнинск) более чем 20 лет занимается производством фильтрационного оборудования для предприятий различных областей промышленности. В настоящее время нашими заказчиками являются более 1000 предприятий пищевой, фармацевтической, радиоэлектронной, химической, нефтегазовой, ювелирной и других отраслей промышленности. За это время наша компания заняла лидирующее положение среди отечественных производителей микрофильтрационного оборудования и обладает целым спектром инновационных технологий, производя уникальные фильтрующие материалы и предлагая предприятиям оптимальные технологические решения фильтрационных задач.

ГК «Обнинские Фильтры» специализируется на производстве фильтрующих элементов из наиболее химически и термически стойких материалов – фторопласте (ПТФЭ марки Ф-4, ГОСТ 10007-80) и сверхвысокомолекулярном полиэтилене (СВМПЭ, ТУ 2211-001-98386801). Кроме того, производятся цельнометаллические фильтры на основе нержавеющих сеток с лазерной сваркой швов.

Основной спектр задач, которые мы решаем на предприятиях различных отраслей промышленности — это фильтрация химически активных и агрессивных жидких и газообразных сред.

ГК «Обнинские Фильтры» лишь в течение последних двух лет начало работать с предприятиями нефтегазовой отрасли и в настоящий момент специалисты предприятия накопили практический опыт решения некоторых задач.

Данную статью мы хотели бы посвятить решению задач очистки сред на ГТУ.

1. Фильтрация газа в блоке подготовки газа для газотурбинных станций на ТЭЦ.
2. Фильтрация конденсата
3. Фильтрация кислотного и щелочного растворов в системах мойки обратноосмотических мембран.

1. Фильтрация газа в блоке подготовки газа для газотурбинных станций на ТЭЦ

В 2010 году был реализован проект по установке фильтров для очистки газа на уровне 5 мкм на две ТЭЦ. Установлены фильтры из нержавеющей стали ЭКОСТИЛ с лазерной сваркой швов (Фото 1). На один блок на расход 84 000 м 3 /час были установлены в параллель 3 держателя под 32 элемента высотой 500 мм каждый для обеспечения непрерывной работы системы. Давление в системе – 1,2 МПа. Технические характеристики элементов ЭКОСТИЛ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Конструктивные и технические характеристики элементов ЭКОСТИЛ (ЭФП-222)

Характеристика фильтровального материала

Фильтровальная сетка из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т выполнена из сеток саржевого плетения с рейтингами фильтрации 5, 10, 20, 40 мкм или полотняного плетения с рейтингами фильтрации 70, 100, 150, 200, 300, 500, 1000 мкм

Негофрированный фильтропакет – в виде рукава на каркасе из перфорированного НС листа с внутренними ребрами жесткости

Лазерная сварка швов

Внешним диаметром – 65 мм или 150 мм, высота – не ограничена. По согласованию возможно изготовление фильтроэлементов по чертежам Заказчика

Рабочий диапазон температур, ºС

-70 ÷ + 300 (в воздушной атмосфере)

-70 ÷ + 800 (в атмосфере инертного газа)

Максимальный прямой перепад давления, МПа

2,0 МПа при + 40ºС

0,6 МПа при +150ºС

Максимальный обратный перепад давления, МПа

В данном случае фильтроэлементы устанавливались в уже имеющиеся корпуса с учетом требуемых типоразмеров. ГК «Обнинские Фильтры» производит фильтроэлементы из нержавеющей сетки с лазерной сваркой швов практически любой конфигурации. За счет возможности проведения многократных регенераций сетчатых фильтроэлементов ресурс работы фильтрационных систем может быть многократно увеличен.

Также в дополнение к элементам на основе нержавеющей сетки или вместо них используются фильтроэлементы глубинного типа марки ЭКОПЛАСТ-ФЭП-F из ПТФЭ марки Ф-4с рейтингом фильтрации 5 или 10 мкм (Фото 2). Помимо фильтрации от механических включений фильтроэлементы из фторопласта обеспечивают очистку от аэрозольных примесей. Вследствие того, что фторопласт являются гидрофобным материалом, сепарация паров влаги и масла происходит на поверхности фильтроэлемента с последующим образованием капель и стеканием их вниз под действием силы тяжести.

Рабочая температура фильтроэлементов ЭКОПЛАСТ-ФЭП-F до 150ºС. Фильтроэлементы из фторопласта можно регенерировать обратным током пароводяной смесью, острым паром в линии, а также применять другие способы очистки и регенерации.

В настоящее время производятся фильтры ЭКОПЛАСТ-ФЭП-F четырех типоразмеров. Возможно изготовление фильтроэлементов по чертежам Заказчика.

2. Очистка конденсата с целью удаления гидроокиси железа (III)

Фильтроэлементы ЭКОПЛАСТ-ФЭП-F из ПТФЭ марки Ф-4 отлично зарекомендовали себя и при фильтрации конденсата на БОУ. Глобулярно-волоконная структура спеченного при определенной температуре фторопласта-4 позволяет максимально эффективно удалять молекулы гидроокиси железа (III). При этом можно проводить многократную отмывку элементов в направлении противоположном направлению фильтрации как очищенной водой, так и растворами любых кислот. При этом происходит растворение коллоидного железа и восстановление ресурса работы фильтров. Использование картриджных фильтров существенно снижает эксплуатационные затраты, является более предпочтительным с точки зрения экологии и промышленной безопасности по сравнению с применением засыпных фильтров с сульфоуглем и активированным углем. (Жадан А.В., «Очистка конденсата на объектах энергетики». Материалы V Международного Водно-Химического Форума, М., 3-6 апреля 2012 г.).

3. Фильтрация кислотного или щелочного раствора в системах мойки обратноосмотических мембран

Для фильтрации кислотных и щелочных растворов необходимым параметром является высокая химическая стойкость материала. Специалистами ГК «Обнинские Фильтры» разработана технология производства фильтровальной пленки из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Материал имеет высокую термическую стойкость (до 100ºС) и химическую стойкость, сопоставимую с характеристиками политетрафторэтилена, что позволяет использовать элементы в широком диапазоне рН (1-14). Инертность и нейтральность материала, отсутствие дренажных нетканых материалов в конструкции фильтроэлементов, высокая механическая прочность фильтрующего материала обеспечивает возможность проведения многократных регенераций и отмывок, в том числе и в направлении, противоположном направлению фильтрации. Элементы ЭКОПЛЕН-РЕ на основе гофрированной пленки из СВМПЭ обладают оптимальными эксплуатационными свойствами для решения данной задачи (Фото 3). В зависимости от требуемой производительности фильтроэлементы ЭКОПЛЕН-РЕ с рейтингом фильтрации 5 мкм устанавливаются в многопатронные фильтродержатели на 18, 24 или 36 посадочных мест, что обеспечивает производительность до 120-140 м 3 /час по фильтрату. Срок эксплуатации одного комплекта – от 1 до 2 лет, в зависимости от степени загрязненности растворов и частоты мойки обратноосмотических мембран.

В заключение необходимо еще раз отметить, что перечисленные задачи являются лишь частью решений очистки жидкостей и газов, реализованных нами с помощью химически и термически стойких материалов на основе ПТФЭ марки Ф-4 и СВМПЭ и нержавеющей стали. Кроме того, наиболее активно фильтры на основе фторопласта-4 используются для очистки турбинных и трансформаторных масел, реализованы проекты по очистке попутного газа, а также установке дыхательных фильтров на емкости хранения питьевой воды для вахтовых поселков.

Астахов Е.Ю., к.х.н., заместитель директора по научной работе,
Котова А.Ю., к.б.н., руководитель отдела промышленной фильтрации,
Панкратов А.А., зам. руководителя отдела промышленной фильтрации,
Горобец С.В., ведущий специалист отдела промышленной фильтрации ГК «Обнинские Фильтры»

ВОЗДУХООЧИСТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН. АНАЛИЗ И ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ.

Проволович О.В.
Технический директор ООО «НПП «ФОЛТЕР», к.т.н.

Последние двадцать лет в России идет бурный рост применения газотурбинных установок (ГТУ) в энергетике, где с помощью них в сравнительно короткие сроки решается вопрос увеличения мощности поставки электроэнергии.

По аналогичному пути идут крупные промышленные предприятия, закрывая, таким образом, потребность в энергетических мощностях и одновременно сокращая свои риски от роста тарифов электроэнергии, покупаемой на рынке.

Традиционным и многолетним потребителем ГТУ является ПАО «Газпром», который обеспечивает транспортировку природного газа по всей стране, а также крупномасштабные поставки газа зарубежным потребителям.

Необходимо отметить, что в последние годы активизировалось строительство газопроводов в Европу, Китай, Турцию.

Основой Единой системы газопроводов ПАО «Газпром» являются газоперекачивающие станции, на которых транспортировка газа осуществляется с помощью ГТУ различной мощности. Причем наряду с отечественным ГТУ в проектах используются и ГТУ зарубежных производителей, таких как Siemens и GE Energy.

ГТУ являются потребителями большого количества атмосферного воздуха, который необходим для процесса горения газа в ГТУ. Так как для работы ГТУ мощностью 25 МВт требуется около 260 тыс. м³/ч воздуха, а для самых мощных ГТУ (около 400 МВт) потребность воздуха составляет 2.5 млн. м³/ч.

Атмосферный воздух всегда содержит какое-то количество пылевых частиц естественного происхождения, связанного с эрозией почв, генерацией различных пылей, растениями (пух тополей, одуванчиков, пыльца и т.д.). Дополнительное загрязнение воздуха вызывается техногенными факторами, связанными с жизнедеятельностью человека (выхлопы от автотранспорта, вентиляционные выбросы промышленных предприятий и т.д.). Это приводит к тому, что воздух, содержащий пылевые частицы, попадает к движущимся и вращающимся элементам газотурбинных и компрессорных установок. Особенно характерен абразивный износ для лопаток газовых турбин, который влечет снижение к.п.д. всей газотурбинной установки.

Загрязнение элементов газотурбинных установок приводит к дополнительным затратам, связанным с разборкой и очисткой этих элементов.

По указанным выше причинам возникает необходимость высокоэффективной очистки циклового воздуха в газовых турбинах.

Для решения этой задачи применяются специальные воздухоочистные устройства ВОУ. ВОУ представляют собой, как правило, отдельно стоящее сооружение, соединенное воздушным трактом с газотурбинной установкой. Воздухозабор в ВОУ осуществляется на высоте, как правило, не менее 8-10 метров. Во входной части ВОУ размещаются элементы, которые защищают его от воздействия прямых атмосферных осадков (дождя и снега) с помощью специальных козырьков, жалюзийных каплеуловителей и т.п.

Как отмечалось выше задачей ВОУ является высокоэффективная очистка больших объемов воздуха с помощью различных фильтрующих элементов, производительность которых колеблется в диапазоне от 2 до 5 тыс. м³/ч.

В связи с этим ВОУ представляют собой крупногабаритные металлоконструкции массой от нескольких десятков до нескольких сотен тонн.

Поэтому перед разработчиками ВОУ стоит задача создания фильтрующих систем, которые являются основой ВОУ, позволяющих сокращать габариты и вес ВОУ.

В настоящее время в России установлено несколько сотен ГТУ зарубежного производства всех известных энергетических компаний GE Energy, Siemens, Alstom, Ansaldo, Mitsubishi и др. единичной мощностью от 30 до 400 МВт, а также ГТУ отечественного производства мощностью от 6 до 110 МВт.

В предлагаемом анализе будут рассмотрены ГТУ мощностью более 30 МВт, для очистки воздуха которых применяют ВОУ массой более 25-30 тонн.

Системы фильтрации в ВОУ делятся на два типа.
— 1-ая: многоступенчатая система с фильтрами накопительного типа;
— 2-ая: с самоочищающимися импульсными фильтрами, которые в большинстве случаев работают как накопительные фильтры, и их общая доля составляет 3-5% от всех ВОУ России.

С учетом этого весь дальнейший анализ будет посвящен ВОУ со статическими накопительными фильтрами.

Система с фильтрами накопительного типа представляет собой двух-, трех- или четырехступенчатые системы фильтрации, в которых, как правило, на входе в ВОУ устанавливаются фильтры влагоуловители, а за ними очистку воздуха обеспечивают 2 или 3 ступени фильтров с финишной очисткой классов F8 или F9. Здесь нужно отметить, что в последние годы в качестве финишных фильтров начинают применяться более эффективные фильтры классов E10-E12.

Фильтры, которые устанавливаются перед финишными фильтрами, обеспечивают защиту финишной ступени от крупнодисперсной пыли, увеличивая ее срок службы.

Все фильтры: влагоуловители, грубой (ФГО), тонкой (ФТО) и финишной очистки устанавливаются в металлические панели сотовой конструкции, которые размещаются пошагово в конструкции ВОУ. Общее количество фильтров каждой ступени в ВОУ разной производительности колеблется от 100 до 600 штук, что требует значительных объемов для их размещения и приводит к созданию ВОУ большой массы.

Единичный фильтрующий элемент ВОУ, как правило, имеет габаритные размеры по входному сечению 592х592 мм и производительность от 3000 до 5000 м³/ч.

Описанное выше показывает, что для уменьшения габаритов и массы ВОУ необходимо применять высокопроизводительные и компактные системы фильтрации.

Для сокращения габаритов ВОУ применяется совмещение двух или трех ступеней на одной панели для установки фильтров.

Рис. 1. Первый вариант совмещенной системы фильтрации в ВОУ:
а – ФГО, класс G4, площадь фильтрации 2–2,5 кв. м, срок службы полгода;
б – ФTО, класс F8–F9, срок службы около года

Рис. 2. Второй вариант совмещенной системы фильтрации в ВОУ:
а – ФГО карманного типа, класс G4, площадь фильтрации 2,5 кв. м, срок службы полгода;
б – корпус блока ФГО;
в – ФТО, класс F8–F9, срок службы около года;
г – система фильтрации в рабочем положении.

Рис. 3. Третий вариант совмещенной системы фильтрации в ВОУ:
а – ФГО реверсивный карманного типа, класс G4, площадь фильтрации 2,5–3,5 кв. м, срок службы полгода;
б – ФТО, класс F8–F9, срок службы 1,5–2 года

Рис. 4. Четвертый вариант совмещенной системы фильтрации в ВОУ:
а – ФГО реверсивный, класс G4, площадь фильтрации 5–14 кв. м, срок службы 1–3 года;
б – ФТО, класс F8–F9, площадь фильтрации 20–45 кв. м, срок службы 1–3 года;
в – система фильтрации в рабочем положении

Рис. 5. Пятый вариант совмещенной системы фильтрации в ВОУ:
а – влагоуловитель (ВО), класс G2, регенерируемый с промывкой водой;
б – ФГО реверсивный, класс G4, площадь фильтрации 5–14 кв. м, срок службы 1–3 года;
в – ФТО, класс F8–F9, площадь фильтрации 20–45 кв. м, срок службы 1–3 года;
г – система фильтрации в рабочем положении

На рис. 1 – рис. 5 показаны пять вариантов совмещенных систем фильтрации в ВОУ применяемых в настоящее время.

4 и 5 варианты, разработанные НПП «Фолтер», из приведенных выше отличает более высокий ресурс и пониженное сопротивление за счет применения фильтров грубой очистки с большой поверхностью фильтрации, что позволяет повысить срок службы фильтров и сократить эксплуатационные издержки при работе ГТУ.

Анализируя все ВОУ, эксплуатирующиеся с зарубежными ГТУ и фильтрами накопительного типа, их можно разделить на две группы

Первый тип ВОУ, в котором система фильтрации расположена перпендикулярно направлению воздушного потока воздуха (рис. 6). Такими ВОУ оснащают свои ГТУ фирмы Simens, Ansaldo, Alstom, Mitsubishi и др.

Рис. 6. Лобовая установка фильтров

Рис. 7. ВОУ с одно- (а) и трехсторонним (б) входом воздуха

ВОУ такой конструкции производятся с односторонним или трехсторонним входом воздуха (рис. 7).

Во втором типе ВОУ система фильтрации установлена в виде W-образной системы, где воздушные фильтры установлены под углом к направлению потока воздуха (рис. 8).

Такая конструкция ВОУ разработана фирмой AAF (США) и ее использует фирма GE Energy для оснащения своих ГТУ.

ВОУ описанной конструкции (рис. 8) эксплуатируются на Вологодской ТЭЦ, Сызранской ТЭЦ, Новомосковской ГРЭС и др. и в качестве системы фильтрации они используют совмещенную схему размещения фильтров грубой и тонкой очистки, соответствующей варианту 1 (рис. 1).

Рис. 8 ВОУ с W-образной системой фильтрации и первым вариантом размещения ФТО и ФГО (рис.1).

Рис. 9 ВОУ с W-образной системой фильтрации и третьим вариантом размещения ФТО и ФГО (рис. 3).

В последние несколько лет фирма GE Energy стала применять в W-образной системе совмещенные фильтры грубой и тонкой очистки по варианту 3 (рис. 3) (Казанская ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 (рис. 9)).

Для сравнения различных конструктивных решений ВОУ между собой автором предлагается введение показателя Удельной металлоемкости, то есть отношения массы ВОУ без воздушного тракта от ВОУ до ГТУ к номинальному объему очищаемого воздуха.

Му – удельная металлоемкость;
М – масса ВОУ (г);
Q – номинальный объем очищаемого воздуха (м³/ч).

В табл. 1 приведены показатели удельной металлоемкости трех основных конструктивных типов ВОУ и относительное снижение металлоемкости по сравнению с наихудшим по Му.

При сравнении приведенных данных видно, что при «лобовой» установке системы фильтрации ВОУ с односторонним входом воздуха оно легче ВОУ с трехсторонним входом на 11%, а ВОУ с W-образной системой легче на 25-30%.

Как известно снижение металлоемкости ВОУ практически линейно снижает его стоимость, что позволяет существенно снизить капитальные затраты при строительстве ГТУ.

Проведенный анализ также показал, что скорость в ВОУ с «лобовой» установкой систем фильтрации составляет около 2 м/с, а с W-образной системой около 4 м/с, что позволяет сделать вывод о необходимости разработки ВОУ с максимально возможной скоростью воздуха в живом сечении ВОУ при выполнении всех основных технических требований (аэродинамическое сопротивление, эффективность очистки) к системам фильтрации.

Основываясь на вышеприведенном анализе конструкций ВОУ были проведены теоретические исследования различных возможных конструктивных решений ВОУ с целью разработки новых типов ВОУ, обеспечивающих снижение их металлоемкости и соответственно стоимости.

При проведении предлагаемых исследований выполнялось 3D моделирование различных конструктивных решений ВОУ и математическое моделирование аэродинамических воздушных потоков в программном комплексе вычислительной гидрогазодинамики ANSYS, который позволил визуализировать и реализовать линии тока, поля скоростей воздуха, полных и статических давлений.

В качестве основы выполненных расчетов была принята более эффективная совмещенная система фильтрации по варианту 4 (рис. 4), по которой имелись данные по трем типоразмерам, полученные в ходе ранее проведенных испытаний на аттестованных аэродинамических стендах. На рис. 10, 11 и 12 приведены схемы трех типоразмеров совмещенной системы фильтрации по варианту 4 (рис. 4).

Рис. 10. Стандартная система фильтрации Фолтер по четвертому варианту размещения ФГО и ФТО:
а – ФГО (G4) + ФТО (F8–F9);
б – система фильтрации в рабочем положении, пропускная способность 3400–4250 м³/ч

Рис. 11. Высокопроизводительная система фильтрации Фолтер по четвертому варианту размещения ФГО и ФТО:
а – ФГО (G4) + ФТО (F8–F9);
б – система фильтрации в рабочем положении.
Пропускная способность 4250–4500 м³/ч увеличена на 20 %, срок службы – в 1,5 раза

Рис. 12. Суперпроизводительная система фильтрации Фолтер по четвертому варианту размещения ФГО и ФТО:
а – ФГО (G4) + ФТО (F8–F9);
б – система фильтрации в рабочем положении.
Пропускная способность 5000–5200 м³/ч увеличена на 30 %, срок службы – в 2–3 раза

В качестве первого варианта исследований была рассмотрена предложенная параллельная система фильтрации воздуха в ВОУ для ГТУ 110МВ. Принципиальная схема такого ВОУ приведена на рис. 13.

В этом конструктивном решении фильтры-влагоуловители располагаются в виде W-образной системы для увеличения скорости в живом сечении ВОУ (рис. 13).

В качестве фильтров грубой очистки (ФГО) класс G4 и фильтров (ФТО) класс F9 была принята их совмещенная установка по варианту 4 (рис. 4) с габаритными размерами ФГО+ФТО=400+400 мм (рис. 11).

Фильтры ФГО и ФТО располагались двумя параллельными рядами по ходу движения воздуха. Первый по ходу движения воздуха ряд фильтров имел по краям каналы в ВОУ для прохода части циклового воздуха ко второму ряду фильтров ФГО и ФТО, а второй ряд имел канал в середине для выхода воздуха, очищенного в первом ряду (рис. 13).

Рис. 13. Схема ВОУ с параллельной системой фильтрации

Для математического моделирования рассматривалась система фильтрации грубого и тонкого фильтра 400+400 мм (рис. 11) с производительностью 4170 м³/ч (240 комплектов).

Моделирование проводилось при различных скоростях воздуха в живом сечении ВОУ. На рис. 14 приведено поле статического давления для параллельной системы фильтрации при скорости в ВОУ 4 м/с, что соответствовало номинальному расходу воздуха для ГТУ 110 МВт (1020 тыс. м³/ч).

Проведенные исследования также показали, что дальнейшее увеличение скорости воздуха в ВОУ ведет к резкому увеличению сопротивления всей конструкции.

С целью сравнения параллельной и W-образной системы между собой аналогичное математическое моделирование было выполнено на примере ВОУ Казанской ТЭЦ-2.

Результаты моделирования двух указанных систем приведены на рис. 14.

Рис. 14:
а – поле давлений для W-образной системы фильтрации при скорости воздуха 4,3 м/с;
б – поле давлений для параллельной системы фильтрации при скорости воздуха 4,1 м/с

Расчеты показали, что аэродинамическое сопротивление обоих двухступенчатых систем при скорости воздуха в живом сечении около 4 м/с составило 420 Па.

Анализ также показал, что по габаритным размерам W-образная и параллельная система также сопоставимы, что позволяет сделать вывод о возможности применения параллельной системы фильтрации как альтернативной W-образной системе. Параллельная система фильтрации за счет высокой скорости в живом сечении (4 м/с) имеет невысокую металлоемкость, как и W-образная система. При этом она более проста в изготовлении.

Дальнейший анализ многочисленных проектов ВОУ в России на действующих ГТУ выявил особенность, которая заключалась в том, что, как правило, ВОУ всегда находятся на некотором расстоянии от ГТУ и требуется дополнительный, в ряде случаев протяженный, воздушный тракт для соединения выходного конфузора (пленума) ВОУ с входным фланцем компрессора ГТУ.

Рис. 15. Схемы некоторых ВОУ с воздушными трактами для ряда действующих ГТУ:
а – Ивановская ГРЭС, ГТЭ-110 МВт;
б – Кировская ТЭЦ-3, ГТУ-180 МВт;
в – Ижевская ТЭЦ-1, ГТЭ-160 МВт;
г – Московская ТЭЦ-21, ГТЭ-160 МВт

На рис. 15 приведены схемы некоторых ВОУ с воздушными трактами для ряда действующих ГТУ (Ивановская ГРЭС, ГТЭ 110 МВт; Кировская ТЭЦ-3, ГТУ 180 МВт; Ижевская ТЭЦ-1, ГТЭ-160 МВт; Московская ТЭЦ-21, ГТЭ-160 МВт).

Из приведенных схем видно, что от ВОУ до ГТУ длина воздушных трактов составляет для Ивановской ГРЭС – 25 м, для Ижевской ТЭЦ-1 – 19 м, для Московской ТЭЦ-21 и Кировской ТЭЦ – 30 м.

Во всех приведенных проектах эти воздушные тракты имеют большое живое сечение для возможности размещения в них ближе к ГТУ шумоглушителя.

Скорость воздуха в этих воздушных трактах составляет 7-8 м/с.

В большинстве случаев масса этих воздушных трактов сопоставима с массой ВОУ.

Такая схема компоновки ВОУ с длинными воздушными трактами возникает в тех случаях, когда происходит реконструкция действующих энергетических объектов, где ГТУ или ПГУ (парогазотурбинная установка) устанавливается в существующем здании, а ВОУ размещается на крыше этого здания или на приставных колоннах к зданию. В этом случае для транспортировки воздуха очищенного в ВОУ до ГТУ требуется достаточно протяженные воздушные тракты.

Основываясь на вышеприведенном анализе была предложена для рассмотрения возможность размещения элементов ВОУ в воздушном тракте.

Первоначальный анализ был проведен на примере действующего проекта ГТУ-SGT5-2000E мощностью 180 МВт турбины фирмы Siemens (Кировская ТЭЦ-3).

В качестве расчетной модели была принята конструкция ВОУ с клиновым размещением системы фильтрации, названная «канальным ВОУ», схема которого показана на рис. 16.

Рис. 16. Схема канального ВОУ для ГТУ 180 МВт

Как видно из рис. 16 канальное ВОУ включает: погодные козырьки, антиобледенительную систему, фильтры влагоуловители и фильтры грубой (G4) и тонкой (F9) очистки, расположенные по четвертому варианту (рис 4 и рис. 12), с габаритными размерами 600+600 мм. На выходе воздуха из системы фильтрации расположен шумоглушитель.

Общее количество фильтров грубой и тонкой очистки (G4+F9) составило 368 комплектов, размещенных в 2 этажа, по 4 яруса на этаже.

Номинальная производительность единичного комплекта ФГО+ФТО составила 4300 м³/ч.

За счет особенностей рассматриваемой системы фильтрации грубой и тонкой очистки, а именно большой фильтрующей поверхности ФГО G4 (15 м²) и ФТО F9 (45 м²) срок службы этой системы составит не менее 2-2.5 лет.

Габаритные размеры канального ВОУ по живому сечению были приняты близкими к размерам канала существующего проекта (5.5 х 11 м).

Длина канального ВОУ без козырьков составляла около 20 м, это укладывается в длину воздушных трактов действующих вышеуказанных проектов.

Для приведенной на рис. 16 схемы канального КВОУ было выполнено математическое моделирование, результаты которого приведены на рис. 17.

Общий расход воздуха был принят в размере 1587 тыс. м³/ч, соответствующий расходу воздуха для ГТУ 180 МВт.

Рис. 17. Математическое моделирование аэродинамики системы фильтрации в канальном ВОУ ГТУ-180 МВт:
а – поле полных давлений, Па;
б – поле скоростей воздушного потока, м/с

Аэродинамическое сопротивление двухступенчатой системы фильтрации составляло 380 Па, а общее сопротивление ВОУ, включая шумоглушитель и воздушный тракт, до входа в ГТУ составляет 750-800 Па, что отвечает требованиям для ГТУ 180 МВт.

При необходимости решения задачи снижения сопротивления канального ВОУ, она может быть достигнута увеличением количества фильтров при незначительном увеличении длины ВОУ.

Для оценки массы рассматриваемого канального ВОУ для ГТУ 180 МВт было выполнено 3D моделирование (рис. 18), на котором видно, что масса канального ВОУ на 40% меньше существующего ВОУ вместе с воздушным трактом.

Аналогичные расчеты и моделирование были выполнены для ГТЭ-110 МВт на основе реального проекта (Ивановская ГРЭС) и технического задания для ВОУ ГТУ-32 МВт.

Рис. 18. Сравнение двух вариантов КВОУ для ГТУ-180 МВт:
а – масса ВОУ и воздуховода без фильтров и глушителя для ГТУ-180 МВт (Кировская ТЭЦ-3) ≈ 190 т;
б – масса канального ВОУ для ГТУ-180 МВт без фильтров и глушителя ≈ 115 т

На рис. 19 приведена схема канального ВОУ для ГТЭ-110 МВт с клиновой системой фильтрации ФГО+ФТО (400+400 мм) по 5 варианту (рис. 5), то есть трехступенчатая система. При этом производительность единичного модуля составила 4050 м³/ч. Всего 252 комплекта, 2 этажа, по 4 и 3 яруса на первом и втором этажах соответственно. Общая длина канального ВОУ составила около 15 м.

Математическое моделирование канального ВОУ показало, что при номинальной производительности 1020 тыс. м³/ч аэродинамическое сопротивление трехступенчатой системы составит около 500 Па, а общее сопротивление не более 850 Па.

Здесь необходимо отметить, что при этом расчете размер канала был выбран исходя из особенностей проекта Ивановской ГРЭС, где воздушный канал проходит между двух колонн с ограничением этого размера. В случае снятия этих ограничений и перекомпоновки системы фильтрации аэродинамическое сопротивление системы фильтрации может быть понижено.

3D моделирование канального ВОУ для ГТЭ-110 МВт приведено на рис. 20 в сравнении с существующей проектом и из него видно, что масса канального ВОУ более чем в два раза легче существующего ВОУ и способно разместиться по длине существующего воздушного тракта.

Рис. 19. Схема канального ВОУ для ГТЭ-110 МВт

Рис. 20. Сравнение двух конструкций ВОУ для ГТЭ-110 МВт (Ивановская ГРЭС):
а) – масса КВОУ с воздушным трактом без глушителя и фильтров ≈ 80 т;
б) – масса без глушителя и фильтров ≈ 34 т

Дальнейшие исследования применимости канального ВОУ для ГТУ-32 МВт были выполнены на основании технического задания, для чего были выполнены эскизные прорисовки стандартного ВОУ по ТЗ и канального ВОУ.

Схема стандартного ВОУ по ТЗ приведена на рис. 21 и из схемы видно, что очищенный воздух из верхней части ВОУ направляется на горение в ГТУ, а из нижней части на вентиляцию ГТУ. Согласно ТЗ для очистки воздуха в ГТУ была принята к рассмотрению трехступенчатая схема системы фильтрации по варианту 5 (рис. 5) с габаритными размерами ФГО+ФТО (292+292 мм) в количестве 96 комплектов (3200 м³/ч/комплект). А на вентиляцию двухступенчатая схема с влагоуловителем G2 и реверсивным фильтром ФГО G4 (292 мм) — 32 комплекта (2700 м³/ч/комплект).

Рис. 21. Схема стандартного ВОУ для ГТУ-32 МВт

На рис. 22 приведена схема канального ВОУ с аналогичными фильтрами в таком же количестве. Габаритные размеры канального ВОУ для процесса горения ГТУ составили 2.7 х 4.4 м по живому сечению, и длина без козырьков составила 9,5 м, что позволяет разместить его в пределах проектируемого здания.

Математическое моделирование показало, что аэродинамическое сопротивление трехступенчатой совмещенной системы фильтрации канального ВОУ для процесса горения ГТУ составило 360 Па при номинальном расходе ГТУ 307 200 м³/ч, а общее сопротивление ВОУ составляет около 600 Па, что отвечает требованиям ТЗ.

Рис. 22. Схема канального ВОУ для ГТУ-32 МВт

Для сравнения двух вариантов между собой было выполнено 3D моделирование ВОУ по ТЗ и канального ВОУ, результаты которого приведены на рис. 23. Сравнение показывает, что канальное ВОУ на 48% легче стандартного ВОУ.

Рис. 23. Сравнение двух конструкций ВОУ для ГТУ-32 МВт:
а – масса КВОУ по ТЗ без фильтров ≈ 35 000 кг;
б – масса канального КВОУ без фильтров ≈ 18 500 кг

Проведенный анализ и теоретические исследования показали, что в тех случаях, когда ВОУ располагается на некотором расстоянии от входа в ГТУ, целесообразно применение канального ВОУ, позволяющего снижать металлоемкость и, соответственно, стоимость ВОУ, которая может составить до 40-50%.

Уменьшение металлоемкости ВОУ в ряде случаев ведет, также, к снижению стоимости строительно-монтажных работ, связанных с изготовлением фундаментов для ВОУ, располагаемых на улице.

Проведенный анализ конструктивных особенностей ВОУ действующих в России ГТУ позволяет сделать следующие выводы.

1. ВОУ ГТУ призваны очищать большие объемы воздуха, в связи с чем их конструкция представляет из себя крупногабаритные и металлоемкие изделия.

2. Применение стандартных фильтров тонкой очистки в одном блоке с обратными (реверсивными) фильтрами грубой очистки с повышенной площадью фильтрации позволяет снижать сопротивление и увеличивать срок службы обеих ступеней в существующих ВОУ ГТУ, а также разрабатывать новые конструкции ВОУ с пониженной металлоемкостью.

3. Анализ всех действующих ВОУ в России показал, что наименьшей удельной металлоемкостью обладают ВОУ с W-образным расположением системы фильтрации ФГО и ФТО.

4. Предложена новая параллельная система фильтрации в ВОУ, которая по металлоемкости не уступает W-образной системе фильтрации, а теоретические расчеты и математическое моделирование показали ее практическую применимость.

5. Анализ действующих ВОУ ГТУ показал, что во многих случаях ВОУ находится на некотором расстоянии от ГТУ и требует применения дополнительного воздушного тракта для соединение выходного конфузора (пленума) ВОУ с входом компрессора ГТУ. Это приводит к удорожанию ВОУ и стоимости его строительства.

6. Предложена новая конструкция канального ВОУ, которая позволяет уменьшить металлоемкость и соответственно стоимость на 40-50% по сравнению с действующими проектами ВОУ.

7. Уменьшение металлоемкости канального ВОУ может приводить, также, и к снижению строительно-монтажных работ ГТУ.

8. Теоретические расчеты и математические моделирования показали применимость канального ВОУ для действующих проектов ВОУ ГТУ 32, 110 и 180 МВт.

9. Математическое моделирование различных вариантов канального ВОУ показало, что за счет варьирования размерами сечения канала (ширина, высота), а также использования различных совмещенных систем фильтрации ФГО и ФТО от 292+292 мм до 600+600 мм возможно добиться заданного аэродинамического сопротивления всего ВОУ в целом.

10. Целесообразно продолжение исследований новых конструктивных решений ВОУ на ГТУ других мощностей конкретных проектов.

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА:

НПП Фолтер-СПб Санкт–Петербург: (812) 346-88-25, 8-(911)-940-91-20
e-mail: folter.spb@folter.ru

НПП Фолтер-НН Нижний Новгород: (8312) 58-75-16,
e-mail: folternn2001@yandex.ru

НПП Фолтер-Екатеринбург: (343) 286-23-54, e-mail: ek@folter.ru

НПП Фолтер-Юг, Невинномысск: (865-54) 347-54, +7(928) 974-30-98,
e-mail: folter-ug@yandex.ru

НПП Фолтер Казахстан (Алма-Ата): (727) 247-86-65; (701) 727-34-67

Представитель в Узбекистане: +998 90 9249604 (Telegram, WhatsApp);
e-mail: imkleyman@gmail.com

НПП Фолтер-Украина, Харьков +38 (057) 719-35-52;
e-mail: dir@folter.com.ua
e-mail: folter_ua@mail.ru

Россия, 127238, г. Москва, Дмитровское шоссе, дом 46, корпус 2, строение 2, этаж 8, комната 18.

Режим работы офиса: с 9:30 до 18:00 в пятницу с 9:30 до 17:00