Установка утилизации тепла

(51)5 Г 22 В 1/18, 33/18 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕТЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМ Я 3 М(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт по транспорту при. родного газа(57) Использование: в теплообменной технике, в частности в теплообменных устройствах, предназначенных для утилизации тепла отработавших газов турбин и другого теплосилового оборудования. Сущность изобретения: в установке утилизации тепла продуктов сгорания, содержащей последовательно установленные в газоходе 8 после теплогенератора, выполненного, например, в виде газовой турбины 50 теплообменные секции 7, 38 и 43, одна из которых, например секция 7, выполнена контактной и снабжена водораспределителем 4, размещенным в корпусе, и поддоном 15 под ним, а другие, например 38 и 43, поверхносТны1828988 10 15 2025 3(Э 35 40 ми, дополнительно предусмотрен поверхностный конденсатор 18, выполненный с газовой и жидкостной полостями, снабженный вакуумным насосом 31 и входным патрубком, подсоединенный к газоходу 8 эа теплообменной секцией 7, а по нагреваемой среде - параллельно этой секции 7, причем первыми по ходу газов в гаэоходе установлены поверхностные теплообменные секции 43 и 38, вторая иэ которых (секция 38) выполнена в виде тепловых труб, размещенных в тракте нагреваемой среды своими зонами конденсации. Установка также может содержать фильтр - осушитель 26, установИзобретение относится к теплообменной технике, а именно к теплообменным устройствам, предназначенным для утилизации тепла отработавших газов газовых турбин и другого теплосилового оборудования и используемых во многих отраслях народного хозяйства, в том числе в газовой, неФтехимической.Цель изобретения - повышение эффективности утилизации тепла, а также снижение токсичности выбросов.На фиг. 1 изображена схема установки утилизации тепла; на фиг, 2 - сечение А-А на фиг;1; на фиг, 3 - схема узлов элементов оросителя и стенок кожуха уставки; на фиг,4 - элементы оросителя; на фиг.5 - отверстия днища для слива нагреваемой воды в поддон.Установка содержит трубопровод 1 нагреваемой среды с регулятором 2 расхода воды и запорной задвижкой 3. водораспределитель 4 нагреваемой среды с корпусом и продольными коллекторами 5 и поперечными 6, контактные теплообменные секции 7, газоход 8 с регулятором-турбулиэаторам 9 газового потока (греющей среды),датчикам температуры.10, поворотные сопла 11 с центробежными фарсунками, днище 12 с поперечными газовому потоку кольцевыми перегородками 13 и дренирующими щелями или отверстиями 14 с отбартованными в сторону уклона плоскости днища 12 краями, поддон 5 с трубопроводам 16 и задвижкой 17, поверхностный конденсатор 18, выполненный с газовой и жидкостной полостями, с трубопроводом 19 и задвижкой 20, сборник парогазовой среды 21, трубопроводы 22, 25 с задвижками 22, 24, фильтр-осуши- тель 26, установленный в гаэаходе за конденсатором 18, дымосос 27, соединенный с выходным каналом газохода 28, трубопровод ЗО с задвижкой 29, соединенный с деаэратором 32 и имеющий вакуумный насос ленный в газоходе 8 эа конденсатором 18, корпус контактной теплообменной секции 7 может быть выполнен в виде горизонтально размещенного конфуэора - диффузора, водораспределитель 4 этой секции содержит размещенный по длине корпуса продольный и поперечные коллекторы 7 и 8, с регулятором - . турбулиэатором 9 газового потока и соплами 11 с центробежными форсунками. В корпусе секции 7 размещаются также поперечные кольцевые перегородки 13, а сам корпус выполнен перфорированным в зоне над поддоном 15, 4 з.п,ф-лы, 5 ил,31, трубопровод 33, соединенный с паропроводом 34, с задвижкой 35 с регулятором 36 расхода пара, датчик 37 температуры нагреваемой в деаэраторе 32 среды. Параллельно нагреваемой среде первыми по ходу газов в газохаде установлены поверхностные теплообменные секции 38, вторая секция 43 - выполнена в виде тепловых труб. С ними связан напорный насос 39 с трубопроводом 40 с задвижками 41, 42, трубопровод 44 с задвижками 45, 46, 47, дренажи 48, входной канал 49 газохада. Установка также содержит газовую турбину 50, заслонки 51,52, 53, байпасный канал 54 газохода с заслонками 55, 56, 57 па газовой стороне, датчик 58 температуры пара/воды на выходе, регулятор 59 расхода топливного газа на входе в камеру сгорания 62 с заслонкой 61 на трубопроводе 66, ваздухавад 64 с регулятором 60 расхода воздуха и заслонкой 63, газопровод 65, газохад 67, байпасные (обводные) линии 680 69 по нагреваемай среде, выходной трубопровод 70 нагреваемай среды. Установка имеет фильтр-осуши- тель, установленный в газохад за конденсаторам, входной патрубок последнего заведен в жидкостную полость, при этом, при этом корпус контактной теплоабменной секции выполнен в виде горизонтально размещенного конфузора-диффузара, при этом угол а раскрытия канфузара-диффузара выбираетсся из соотношения Й/а19 сЙ/Ь. где а и Ь - длины диффузора и канфуэора, К - максим. радиус сечения корпуса контактной секции, 8 установке вадараспределитель 4 контактной теплоабменнай секции 7 содержит размещенный по длине корпуса коллектор с раздающими трубами, снабженными выходными отверстиями, к каждому из оторых подключена центробежная форсунка с воэможностью распыливания нагреваемой среды вдоль продольного се 18289885 10 15 20 25 30 35 50 55 чения кожуха под углом ф = 80-100 град а в продольных сечениях - вдоль радиусов сечения теплообменника, расположенных под углом у = 10-20 град, в зависимости от размеров сечения корпуса, поворотные сопла 11 со встроенными центробежными форсунками, подающие нагреваемую жидкость распыленными струями с пересекающимися следами жидкостного потока, в виде конусных центробежных факелов с углами раскрытиями в диапазоне 50 - 120 град, в зависимости от относительного диаметра максимального сечения корпуса контактных теплообменных секций 7, изменяющихся для разных устройств в диапазоне 2-5, причем в деаэратор 3 подается 0,8-0,75 суммарного расхода распыленной подогреваемой жидкости, остальная - в количестве 0,2-0,25 подается подогретой из линии охлаждающей жидкости конденсатора, добавка пара в деаэратор 32 в количестве 0,05-0,1 поступает из последнего контура последовательно установленных теплообменников по ходу нагреваемой среды, внутренняя полость контактных тепло- обменных секций разделена на участки длиной 0,55-0.6 кольцевыми перегородками 13 высотой 0,05-0,1 радиуса максимального сечения корпуса, а на днище 12 между перегородками 13 расположены ряды щелей шириной не превышающей 0,1-0,2 их длины, причем прорези одного ряда имеют суммарную длину, составляющую 0,2-0,25 длины кольца каждого соответствующего сечения корпуса и, отбортованными краями в сторону уклонов соответствующих плоскостей днища, трубопровод подвода смеси в конденсатор 18 занурен в нагреваемую среду, а на входе и выходе газов из конденсатора перед дымососом 27 установлены фильтры-осушители 26, а над поддоном 156 выполнена обьемная полость,Установка работает следующим образом.Нагреваемая среда- вторичный теплоноситель в виде слабощелочной среды или другой жидкости по трубопроводу 1, через получивший команду от эадатчика (на радиусе не указан) регулятор расхода 2 при открытой задвижке 3, подается в водораспределитель 4, в коллекторы 5 и 6 контактных теплообменных секций 7 - первого контура нагрева. встроенного в рабочий участок гаэохода 8, имеющего на входе регулятор-турбулизатор газового потока и датчик 10 его температуры, разбрыэгивается и распыливается взаимопересекающи" мися струями в виде центробежных факелов с помощью поворотных сопел 11, оборудованных центробежными форсунками, Затем вступая в контакт с горячими дымовыми газами среда нагревается примерно до температуры точки росы в виде гетерогенной гаэопароводяной смеси, поступает в сборник 21, а жидкость в виде капель попадает на днище 12 контактной теплообменной секции 7 на участки между поперечными газоводу кольцевыми перегородками 13 и стекает через дренирующие отверстия 14 с отбортованными краями в поддон 15, откуда самотеком по трубопроводу 16 при открытой задвижке 17 совместно с парами поступает в конденсатор 18, сюда же по трубопроводу 19 при открытой задвижке 20поступает из сборника 21 гетерогенная парогазоводяная смесь. а по трубопроводу 22 при открытой задвижке 23 и закрытой 24 натрубопроводе 25, подводится охлаждающая вода, В межтрубном пространстве конденсатора 18 происходит конденсация паров нагреваемой жидкости, включая пары продуктов сгорания, вода отделяется от газов,которые поступают дальше.на фильтр-осушитель 26, дымосос 27 и через выходной канал газохода 28 выводятся в атмосферу. а полученный нагретый конденсат при откры- той задвижке 29 по трубопроводу 30 вакуумным насосом 31 подается в деаэратор 32туда по трубопроводу 33 подается и нагретая в конденсаторе 18 охлаждающая вода. В деаэраторе 32 паром. поступающим из третьего контура нагрева поверхностныхтеплообменных секций 38 из паропровода34 производится деаэрация поступающегоконденсата при открытой задвижке 35 и регулятора 36 расхода пара, получающим сигнал от датчика 37 температуры конденсата в головке деаэратора 32.Конденсат нагреваемой среды напорным питательным насосом 39 по трубопроводу 40 при открытой задвижке 41 и закрытой - 42 подается во второй контурнагрева - теплообменные секции 43 на тепловых трубах, где нагревается до температуры насыщения и, затем, по трубопроводу44 при открытых задвижках 45, 43 и закрытой - 47 поступает в третий контур теплообмена - в поверхностные теплообменные секции 38 с развитой ребристой теплообменной поверхностью, где нагревается до температуры насыщенного пара в зависимости от заданного давления в теплосети и разделяется на два потока, один поток пара поступает в деаэратор, где барботирует в конденсат, другой поток - подается потребителю. Соли, а также поглощенные нагреваемой средой вредности, в виде растворовоксидов азота, углерода, альдегидов, сажи и карцерогенЬвчастично выводятся из систе 1828988мы в виде шлама и пены через продувочные линии в дренаж 48. Одновременно по входному каналу 49 газохода, от газовой турбины 50 при открытой заслонке 51 и закрытых заслонках 52, 53, подается первичный теплоноситель - греющая среда - высокотемпературные уходящие (сбросные) газы. которые последовательно проходят через все теплообменные секции 7, 38, 43, отдают тепло нагреваемой среде, при этом в контактных теплообменнцх секциях 7, смешиваясь со слабощелочной водой, очищаются от вредных газообразных выбросов и с низкой температурой, близкой температуре точки росы, через выходной канал газохода 28 дымососом 27 выбрасываются ъ атмосферу. При .этом шиберами 51 и 56, а также дымососом при закрытых шиберах 52, 53 создается необходимый подпор в теплообменном устройстве, регулирующий орган 9 обеспечивает последовательную подачу необходимого количества горячих газов через все теплообменные секции. 8 случае отсутствия потребителей тепла или при ремонте теплоутилизационной установки уходящие газы отводятся через бЪйпасный канал 54 газохода при открытых заслонках 53, 55 и закрытых 56, 57. В зимнее время при низких температурах окружающей среды через байпасный канал 54 пропускают в небольшом количестве уходящие газы. что обеспечивает обогрев укрытия установки.При пиковой тепловой нагрузке или в случае снижения температуры теплоносителя, что возможно в зимнее время, когда паоаметры газового потока газовой турбины 50 естественно снижаются и теплопроизводительность теплоутилизационной установки также снижается, датчик 58 температуры нагреваемой средц на выходе из третьей секции 38 теплообмена подает сигнал на регуляторы 59, 60 расходов топлива и воздуха пиковорезервного теплогенератора - камеры сгорания 62, при этом открываются заслонки 61, 63, а заслонки 51, 53 закрываются. От газовой турбины 50 воздух на горение подводится воздуховодом 64, а из газопровода 65 по трубопроводу 66 подводится топливный гаэ, полученные продукты сгорания на вход в рабочий участок газохода 49 подводятся по гаэоходу 67 при открытых заслонках 52, 58 и закрытых - 5153. Одновременно поступает сигнал от датчика 10 температуры газов на входе в рабочий участок 49 газохода 8 на регулятор 59 расхода топливного газа камеры сгорания 62,При остановке газовой турбины 50 для исключения попадания газов от камеры сгорания 62 через проточную часть турбины 50 в помещения турбинного цеха заслонку 51 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 закрывают. В случае ремонта, отключения или изменения рабочего процесса теплоутилизационной установки. теплообменные секции 7, 38, 43 могут отдельно отключаться, при этом включаются обводные линии б 8, 69 по нагреваемой среде. Так, при отключении контактных теплообменных секций 7 и при открытой задвижке 23 открывают задвижку 24 на байпасном трубопроводе 25 и охлаждающая вода поступает как в конденсатор 18, так и в деаэратор 32", частично нагревается в конденсаторе 18 уходящими газами, где газы также частично очищаются, так как из них конденсируются собственные пары воды при температуре, близкой к температуре точки росы, Газы, проходя через фильтр-осушитель 25, выбрасываются дымососом 27 в атмосферу, При отключении одной из секций дальнейший нагрев воды происходит также как и в общем случае, При ремонте или отключении, только теплообменных секций 43 на тепловых трубах задвижку 41 на трубопроводе 40 закрывают и открывают задвижку 42 на байпасном трубопроводе 68 и вода в третью секцию 38 теплообмена поступает по байпасному трубопроводу 68, При отключении третьей секции теплообмена 38 с развитой ребристой теплообменной поверхностью закрывают задвижки 45, 46 и открывают задвижку 47 байпасного трубопровода 69 и установка при постоянном расходе нагреваемой среды может выдавать только нагретую воду, при этом паропровод 34 закрывают задвижкой 35 и регулятором расхода пара 36 и нагретая вода па выходному трубопроводу 70 подается к потребителю. При снижении температуры нагреваемой среды на выходе из трубопровода датчик 58 температуры линейного сигнализатора тепловой сети поступает сигнал, который корреспондирует с сигналом датчика 10 температуры дымовых газов и при снижении теплосодержания выхлопных газов газовой турбины датчик 10 выдает сигнал на регулятор 60 подачи воздуха и регулятор 59 подачи топливного газа в камеру сгорания 62,Продукты сгорания после камеры сгорания 62 поступают во входной участок газо- хода 49, где проходя через регулятор - турбулиэатор 9 смешиваются с дымовыми газами агрегата 50 и поступают с заданным теплосодержанием в теплообменную секцию 38, где окончательно подогревают нагреваемую жидкость до заданной температуры, При повышении нагреваемой среды датчик температуры линейного сигнализатора теплосети подает сигнал на прикрытие регулятора-турбулиэатора 9 и перепуск газов через байпасныйгазоход 54 или при открытом регуляторетурбулиэаторе 9 газового потока на открытие регулятора 60 расхода воздуха при открытых задвижках 52, 63. Датчик 58 температура воды на линейной части теплосети подает сигнал на регулятор 2 расхода воды и регулятор-турбулизатор 9 газа, которыесоответственно или закрываются или открываются. При этом датчик 10 температуры газов на входе в последний контурустройства - поверхностные теплообменные секции 38 связаны с регуляторами 59,60 подачи воздуха и топлива на камеру сгорания 62, Датчик 37 температуры воды в деаэраторе 32 функционально связан с регулятором 36 подачи пара на деаэраторе 32функционально связан с регулятором 36подачи парэ надеаэрирование воды. Подготовка устройства к работе происходит открытием шибера 56 на рабочем участкегазохода 49, регулятора-турбулизатора 9 газового потока, закрытием шиберов 53 и 55, на обводном гаэоходе 54, включением дымососа 57 с одновременным открытием регулятора 2 и запорной задвижки 3 на трубопроводе 1 подвода нагреваемой среды на коллекторы 5 и б оросителя 4 контактных теплообменных секций 7, а такжеоткрытием задвижек 17, 20, 23, соответственно, на трубопроводах 16, 19,22 подвода нагреваемой жидкости, парогазоводяной смеси в конденсатор 18; Далее открываются задвижки 29, 41 45. 46, Поступающая нагреваемая среда постепенно заполняет весьвнутренний обьем теплообменного устройства, вытесняя воздух через воздушники, установленные на теплообменных секциях 38, 43, При этом задвижки 24, 42, 47 на байпасных трубопроводах 25, 68, 69 подвода нагреваемой среды закрыты. При выходе установки на рабочий режим открываетсялиния трубопровода 34 подачи пара, для чего по сигналу датчика 37 температуры нагреваемой среды в головке деаэратэра 32, поступает сигнал наоткрытие регулятора 36расхода пара при открытой задвижке 35.В случае уменьшения теплопроизводительности или при ремонте какой либо иэ теплообменных секций 7, 38, 43 может возникнуть необходимость в отключении какой-либо из,них, тогда вторичныйтеплоноситель поджимается по соответствующим байпасным линиям мимо отключенных секций. Например, при отключениипервой секции теплообмена 7 вода подается мимо конденсатора 18 напрямую по трубопроводу 25 в деаэраторе 32 и затем напорным насосом 39 на вторую 43 и третью38 секции и затем по трубопроводу 70 к потребителю. При этом перекрываются со 10 15 20 25 30 35 40 50 ответствующие задвижки 3, 17, 23 и открывается задвижка 24. В остальном вся запорная и регулирующая арматура работает как при пуске, При необходимости повышения теплопроизводительности или в случае останова газовой турбины от эадатчика (на чертеже не указан) подается сигнал на датчик 10 температуры газов, установленный на выходе в газоход 49 перед теплообменной секций 38, Затем от укаэанного датчика 10 подается команда на открытие регулятора 9 газового потока, При недостаточно высокой температуре газового потока подается команда также от датчика 10 на регулятор 59 расхода газа, связанного в свою очередь с регулятором 60 подачи воздуха в камеру сгорания 62. При этом открывается задвижка 52 на газоход 67 и продукты сгорания от камеры 62 поступают в смеситель регулятора-турбулизатора 9 газового потока и затем последовательно в теплообменные секции 38 43, 7, Слив жидкости из контура теплообменного устройства при переходе на летний режим работы или длительной остановке ГПА в зимний период осуществляется в резервные емкости (на чертеже не указаны) или дренажи 48 при открытых воздушниках и дренажных задвижках.С целью обеспечения симметрии и дальнебойности факелов распыливаемого теплоносителя и, следовательно, интенсификации смешения и теплообменных процессов, камера смешения контактирующих сред контактной секции 7 выполнена в виде трубы Вентури, соединением двух конфузоров, что наряду с равномерным снижением температуры уходящих газов способствует выпадению капельной жидкости в конце процесса и увеличивает срок службы дымососа, Установка конденсата и сброс нагретой охлаждаемой воды в деаэраторе позволяет избежать термодинамических потерь при смешивании потоков конденсата и охлаждаемой воды. Применение установки приводит к сокращению рабочих площадей компрессорных станций за счет компактности, неметаллоемкости и возможности изготовления передвижных теплоутилизизационных установок, имеющих возможность подключения на КС в любых необходимых для технологии участках магистральных газопроводов. Использование изобретения позволяет максимально утилизировать тепло уходящих газов, снизить расход топливного газа на установке частично обезвредить уходя щие газы от токсичных веществ, снизить загрязнение и ущерб, наносимый окружающей среде; повысить КПД утилизатора-подогрееателя припоследовательном соединении в единый последовательный контур секций контактного, на тепловых трубах и поверхностноготеплообменников; обеспечить низкую и стабильную температуру уходящих газов, долговечность и надежность работы дымососа;улучшить условия эксплуатации и надежность устройства утилизации тепла, при высокой эффективности тепломассообмена, сучетом конденсации воды из продуктов сгорания,Анализ результатов экспериментальных работ по исследованию характеристик, предложенной теплоутилизационной установки показывает, что нагрев среды с одно- и временным удалением из дымовых газов токсичных веществ позволяет увелйчить в 2 - 2,8 раза тепФ лопроиэводительность, снизить температуру уходящих газов до температуры точки росы и ниже, выброс вредных газообразных веществ снизить на 10-15, а расход электроэнергии на 60 - 80. Внедрение указанного устройства планируется на компрессорных станциях с газоперекачивающими агрегатами, оборудованными газотурбинными приводами в системе ПО"Тюментрансгаз" на северном участке магистрального газопровода Ямбург-Елец-Западные районы Украины. Опытно-промышленная установка находится на стадии рабочего проектирования, Экономический эффект от внедренияпредлагаемого устройства составляет 52 тыс.руб. в год из расчета на одну теплоутилизационную установку мощностью 20 МВт. Социальный. эффект в настоящее время оценить трудно. Планируемый Ухтинским зкспериментально-механическим заводом обьем выпуска таких установок в год составляет 15 шт.Формула изобретения1, Установка утилизации тепла. продуктов сгорания, содержащая последовател ьно установленные в газоходе после теплогенератора теплообменные секции, включенные10 15 20 25 30 40 45 в тракт нагреваемой среды, одна из которых выполнена контактной и снабжена водораспределителем, размещенным в корпусе, и поддоном под ним, а другие - поверхностными, отличающаяся тем,что,сцелью повышения эффективности утилизации тепла и снижения токсичности выбросов в отводимых продуктах сгорания, установка дополнительно содержит поверхностный конденсатор, выполненный с газовой и жидкостной полостями, снабженный вакуумным насосом и входным патрубком, подсоединенный к гаэоходу за теплообменными секциями, а по нагреваемой среде - параллельно последней из них, причем первыми по ходу газов в газоходе установлены поверхностные теплообменные секции, вторая иэ которых выполнена в виде . тепловых труб, размещенных в тракте нагреваембй среды своими зонами конденсации.2. Установка поп.1. о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она включает фильтр-осушитель, установленный в газоходе за конденсатором, а входной патрубок последнего заведен в жидкостную полость,3, Установка по пп.1 и 2, от л и ч а ющ а я с я тем, что корпус контактной тепло- обменной секции выполнен в виде горизонтально размещенного конфузора-диффузора, при атом угол й раскрытия конфуэора и диффузора выбирается из соотношения В/а ) Щ ай/Ь, где а и Ь - соответственно длины диффуэора и конфузора. й - максимальный радиус сечения корпуса контактной секции.4. Установка по пп,1-3, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что водораспределитель контактной секции содержит размещенный по длине корпуса коллектор с раздающими трубами, снабженным выходными отверстиями, к каждому иэ которых подключена центробежная форсунка,5, Установка по пп, 1 - 4, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что она снабжена кольцевыми перегородками, установленными поперечно внутри корпуса, а последний выполнен перфорированным в зоне над поддоном,Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101