МОДУЛЬНАЯ ПЕРЕДВИЖНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА И ЖАРОТРУБНЫЙ КОТЕЛ ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2001 года по МПК F02C6/18 F01D25/08 

Модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка предназначена для обогрева и подачи технологического тепла в жилые, административные и производственные здания и сооружения при перебоях в работе централизованного отопления или при аварийных его остановках, также в полевых условиях до завершения строительства стационарных установок и агрегатов отопления и может быть использована в различных областях народного хозяйства. Предпочтительная область использования в передвижных теплофикационных установках модульного или контейнерного типа.

Известна газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена, управления и контроля, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя связан с модулем теплообмена (см. а.с. СССР N 883537, МПК F 02 C 6/18, опубл. 23.11.81, Ленинградский политехнический институт и производственное объединение турбостроения "Ленинградский металлический завод", Л.В. Афанасьев и др. ). Сложная конструкция газового тракта, подвода отходящих газов к подогревателю сетевой воды, многоступенчатый ее нагрев приведет к непроизводительным потерям тепла и кинетической энергии отходящих газов на всех местных сопротивлениях трубопроводов, увеличит стоимость производства и эксплуатации установки, увеличит ее вес и габаритные характеристики.

Известна модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя с газовым трактом, теплообмена, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска, установленные на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена (см. патент Российской Федерации N 2123608, МПК F 02 C 6/18, опубл. 20.12.96, Предприятие по добыче газа "Ямбурггаздобыча", Машиностроительное конструкторское бюро "Гранит", Аненков А.Г. и др.). Выполнение выходного газового тракта в виде простейшего сварного патрубка, отсутствие отклоняющего аппарата для оптимального направления горячих отходящих газов в теплообменник котла-утилизатора и равномерного распределения их по его поверхности, а также наличие промежуточного трубопровода приводит к неоправданным потерям тепла и кинетической энергии отходящих газов в тракте подачи их к котлу- утилизатору. Кроме этого, газовый тракт неоптимален по выполнению и имеет высокие аэрогидравлические потери кинетической энергии отходящих газов, что соответственно приводит к местному неоднородному нагреву элементов газового тракта теплообменника котла-утилизатора. Отсутствие средств шумовой, тепловой защиты и нейтрализации вредных газовых составляющих отходящих газов снижает экологичность установки.

Известна модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска, установленные на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена (см. заявку PCT N WO 94/14000, МПК F 22 B 7/00, опубл. 23.06.94, BRITISH GAS PLC, SUTTON, Jeffrey и др.). Сложный по форме газовый тракт для подвода отходящих газов и прохода их через теплообменник котла-утилизатора с несколькими газовыми ходами приведет к высоким энергетическим затратам на прокачивание через него отходящих газов, вследствие чего дополнительно установлен отсасывающий вентилятор. Кроме этого, для дожигания несгоревших компонентов используется устройство для подачи газообразного топлива, а также устройство для образования стехиометрического состава смеси и сжигания ее в оптимальном режиме, что весьма дорого и требует дополнительных устройств регулирования и поддержания стехиометрического состава. Что усложняет устройство дожигания несгоревших составляющих топлива в отходящих газах и повышает тепловую нагрузку на газовый тракт и тепловые потери в нем.

Известна модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска, установленные на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена (см. а.с. СССР N 26504, МПК F 01 D 25/08, опубл. 31.05.32, Н.Л. Квашнин). Сложная по форме газоотбойная поверхность газового тракта котла-утилизатора приводит к сильному завихрению отработавших газов и большим потерям их кинетической энергии, а относительно малая поверхность теплопередачи не позволяет осуществить полноценный теплообмен и утилизацию тепла отходящих газов, направляющие поверхности в выхлопном коллекторе газового тракта не являются оптимальными и на них также происходят потери кинетической энергии выхлопных, отходящих газов, что приводит к неравномерному нагреву этих поверхностей, местным перегревам и большому аэродинамическому сопротивлению выхлопной части газового тракта, то есть при этом будут большие непроизводительные потери тепла. Отсутствие средств шумовой, тепловой защиты и нейтрализации вредных составляющих выхлопных газов снижает экологичность установки.

Известна модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска, установленные на силовой конструкции корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена и имеет газоотбойную стенку (см. патент Российской Федерации N 2114316, МПК F 02 C 6/18, опубл. 27.06.98, Ванин Валерий Александрович и др.). Сложный по форме газовый тракт подачи отходящего газа и дополнительного горючего газа в котел-утилизатор, наличие сложной системы регулирования и распределения отходящих газов и смешения их с горючим газом приводят к высоким потерям кинетической и тепловой энергии на агрегатах, регулирующих распределение потоков отходящих газов и подачу их на доокисление продуктов неполного сгорания топлива. Подогрев его, за счет сгорания дополнительного горючего газа и перемешивания его отходящими газами, усложняет конструкцию. Процесс не эффективен в отношении догорания остаточных углеводородов путем подачи другой разновидности углеводородного топлива, дорог, сложен в регулировании и требует получения смеси с составом, близким к стехиометрическому, а потому не только сложен и ненадежен, но и неэкологичен на некоторых режимах, особенно при разогреве предтопка, то есть на этих режимах у установки будет наблюдаться повышенный выброс легких углеводородов из-за переобогащения смеси. Кроме этого, низкая экологичность определяется отсутствием средств шумоглушения впуска, выпуска и работы установки.

Наиболее близкой по количеству общих признаков и решаемой задаче является (заявка, поданная по системе европейского патента, ЕР N 0225868, МПК F 02 C 6/18, опубл. 16.06.87, ROLLS-ROYCE, Reynolds, Graham Alfred) техническое решение, из которого известна модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули: газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом; теплообмена с передней и задней стенками; теплозвукоизоляции с внутренней полостью, передней, задней и разделительной стенками; силового каркаса корпуса; впуска и выпуска со средствами шумоглушения впуска и выпуска; управления и контроля; очистки впускного воздуха и выхлопных газов. Все модули установлены на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена. Тракт перепуска и распределения выхлопных газов по поверхности теплообменника котла-утилизатора с газоотбойной стенкой имеет сложную конструкцию, что приводит к бесполезным потерям тепла и кинетической энергии движения газов в указанном тракте и перегреву элементов, направляющих и распределяющих отходящие газы по поверхности теплообменника, что снижает надежность работы установки. Кроме этого, в установке повышены вредные выбросы, так как отсутствует дожигание или доокисление несгоревших составляющих отработавших газов, что снижает экологичность установки.

Техническими задачами, решаемыми предложенной модульной передвижной газотурбинной теплофикационной установкой, являются достижение модульности, компактность, полная автономность, малые вес и габариты при высокой теплопроизводительности, удобство транспортировки и мобильность, простота конструкции, компоновки и надежность установки, простота конструкции теплообменника и совмещение выполняемых им функций направляющего и распределяющего аппарата отходящих газов и как части силового каркаса, повышающего жесткость и прочность конструкции, то есть расширение функциональных возможностей установки, компактное размещение вспомогательных агрегатов, эффективность теплообмена при простоте выполнения теплообменника и надежности его работы, экологичность, простота и дешевизна изготовления установки и теплообменного модуля, возможность дистанционного управления, повышенный тепловой КПД установки, надежность силового каркаса, удобство эксплуатации и ремонта, высокая защита от последствий аварий и аварийных ситуаций, пониженные энергозатраты на дожигание или нейтрализацию несгоревших составляющих отработавших газов, экологичность установки вследствие малого шума установки и снижения вредных выбросов. Указанные технические задачи решаются тем, что модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка содержит модули газогенератора в виде газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена с передней и задней стенками, теплозвукоизоляции с внутренней полостью, передней, задней и разделительной стенками, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска со средствами шумоглушения впуска и выпуска, управления и контроля, очистки впускного воздуха и выхлопных газов, установленные на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газогенератора напрямую связан с модулем теплообмена, а также тем, что снабжена вентилятором, связанным с впускным и выпускным модулями и установленным с возможностью подачи воздуха за разделительную стенку модуля теплозвукоизоляции и перед передней стенкой модуля теплообмена во внутреннюю полость модуля теплозвукоизоляции, а с выпускным модулем - минуя модуль теплообмена, причем передняя и разделительная стенки модуля теплозвукоизоляции выполнены подвижными, модуль газогенератора - с возможностью монтажа и демонтажа через обе стенки, а модуль теплообмена выполнен в виде жаротрубного котла-утилизатора с наклонной, задней газоотбойной стенкой.

Кроме этого, установка снабжена парогенератором и средствами потребления пара, а средства потребления пара выполнены в виде паровой турбины с электрогенератором, или приводимых паром водяных насосов, или других вспомогательных агрегатов.

А также тем, что между задней стенкой модуля теплозвукоизоляции и задней газоотбойной стенкой котла-утилизатора размещены вспомогательные агрегаты.

Модульность достигается тем, что в установке есть совмещение устройств, узлов и агрегатов, способных работать независимо от свойств и выполнения других частей в их различных сочетаниях без изменения основных конструктивных особенностей и тактико-технических характеристик модулей. Так, например, при использовании в качестве модуля газогенератора авиационного двигателя, выведенного за штат или его газогенератора, а в этом качестве может использоваться любой двигатель, имеющий соответствующую теплопроизводительность, теплообменный модуль будет работать без изменений соответствующих габаритных размеров и теплотехнических характеристик, а они оба могут быть размещены в модуле теплозвукоизоляции без необходимости его конструктивного изменения.

Компактность достигается тем, что в предложенной конструкции установки практически нет переходных газопроводов, а модуль теплообмена выполнен в виде жаротрубного котла-утилизатора, совмещающего в себе функции газоотклоняющего, распределяющего и направляющего аппарата для отходящих газов части конструкции силового каркаса корпуса.

Малый вес, малые габариты и при этом высокая теплопроизводительность достигаются за счет малого веса модулей газогенератора и теплообмена, высокоэффективной теплогенерации в газогенераторе, высоких скоростей горячих газов и высокой их турбулизации и соответственно высокоэффективного теплопереноса в теплообменнике котла-утилизатора, оптимального соотношения поверхностей жаровой трубы котла и охлаждаемых направляющих лопаток и трубных решеток, то есть достижения минимальных габаритных размеров при достижении высоких штатных характеристик.

Удобство транспортировки и мобильность достигаются за счет малых габаритов и веса установки, а также компактной компоновки ее агрегатов и модулей, то есть отсутствия сложных трубопроводов газового тракта и размещения вспомогательных модулей, например, очистки воздуха и глушения шума впуска на крыше корпуса или под полом, например, топливного бака.

Полная автономность установки достигается тем, что для запуска и ее работы имеются все необходимые средства. Запуск осуществляется штатной пусковой системой модуля газогенератора, например электропусковым устройством газотурбинного двигателя или устройством его пневматического пуска, после пуска первое время вспомогательные устройства, агрегаты и системы, такие как топливоподачи, регулирования и аварийной защиты, работают от штатных электрических аккумуляторов системы. После выхода на режим вспомогательные системы переводятся на работу от парогенераторов средств потребления пара, например таких как паровые двигатели, входящие в комплектацию установки.

Средством потребления пара может быть и паровая турбина с электрогенератором, в этом случае все остальные системы могут быть обычными электрическими, и при работе турбины штатные аккумуляторные батареи будут автоматически подзаряжаться.

Для устранения промежуточных преобразований энергии привод вспомогательных и циркуляционных водяных насосов может быть также паровым.

На случай выхода из строя электрической системы установки можно использовать паровой привод вспомогательных агрегатов, например таких как топливный насос, насос подачи смазки или циркуляционный насос системы водяного или жидкостного охлаждения.

Все указанные разновидности приводов повышают автономность и надежность работы установки.

Надежность силовых конструкций обеспечивается тем, что котел-утилизатор выполнен жаротрубным, то есть в виде цельного прочного корпуса с внутренней рубашкой охлаждения и внутренней жаровой трубой, к которому крепятся остальные конструкции силового каркаса, теплозвукоизоляции и силовой аварийной защиты, а также агрегаты впускной и выпускной шахт, например такие как модули шумоглушения впуска или выпуска, теплообменники и так далее.

Простота конструкции, компоновки определяется тем, что установка включает два крупных отработанных в производстве и серийно выпускаемых модуля газогенератора и теплообмена, а также несколько серийных вспомогательных устройств, размещенных в простом по конструкции силовом каркасе, на который крепятся панели силовой, аварийной, тепловой и звуковой защиты. Причем все эти функции могут выполнять одни и те же панели, выполненные из композиционных материалов, таких как стекло- или углеволоконные маты с пропиткой их эластомерами, что позволяет расширить функциональные возможности модуля теплозвукоизоляции, добиться высокоэффективной защиты от последствий аварий и аварийных ситуаций, например, возникающих при обрыве лопатки или разрушении вентилятора или турбины, от вредного воздействия шума и вибраций, выделения тепла и части отходящих газов, а также этому способствует отсутствие в опасной зоне людей вследствие использования дистанционного управления установкой.

Надежность установки в целом определяется высокой надежностью работы модуля газогенератора и наличием системы управления и контроля, а также наличием систем и устройств аварийной защиты, например клапанов от превышения давления в модуле теплообмена или штатных устройств, предотвращающих помпаж в модуле газогенератора.

Простота конструкции и совмещение в модуле теплообмена функций элемента силового каркаса корпуса, выполненного в виде жаротрубного котла-утилизатора, в котором направляющие лопатки выполнены полыми и водоохлаждаемыми, а на выходе он снабжен по меньшей мере двумя водяными трубами, расположенными в параллельных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с корпусом и контуром теплообмена корпуса с возможностью компенсации радиальных усилий рабочих газов на противоположных стенках жаровой трубы, позволяет расширить функциональные возможности, повысить жесткость и прочность котла-утилизатора и силового каркаса корпуса, то есть получить возможность использовать в качестве модуля газогенератора различных устройств генерации горячих газов с изменяющимся в широких пределах их давлением и температурой, кроме этого, повышенная жесткость котла-утилизатора снижает возможность его коробления от высоких температур и нагрузок. Жидкостное охлаждение направляющих лопаток приводит к снижению тепловой напряженности или невозможности их перегрева, что повышает надежность их работы и установки в целом.

Компактность расположения вспомогательных агрегатов достигается тем, что они располагаются в нише между задней наклонной газоотбойной стенкой котла-утилизатора и задней стенкой модуля теплозвукоизоляции. Для тепловой защиты вспомогательных агрегатов внешняя поверхность котла- утилизатора может быть покрыта теплозащитным покрытием, что дополнительно уменьшит непроизводительные потери тепла в окружающую среду.

Эффективность модуля теплообмена при простоте выполнения теплообменника и надежности его работы достигается тем, что поперечное сечение лопаток выполнено в виде прямых, расположенных под углом одна к другой и сопряженных между собой переходными линиями, то есть газонаправляющие лопатки выполнены в виде нескольких плоскостей, сопряженных переходными поверхностями, оптимальными по отношению площадей их поверхности, таким образом и оптимальными по аэрогидравлическому сопротивлению, турбулизации отходящих газов и теплообмена с ними.

Экологичность установки определяется в первую очередь высоко эффективным шумоглушением на впуске и выпуске установки, наличием теплозвукоизолирующего модуля, выполненного в виде набора панелей, отделяющих модуль газогенератора от окружающей среды, а также звукотеплоизолирующее покрытие модуля теплообмена.

Экологичность установки также достигается тем, что в выхлопные газы установки добавляется вторичный подогретый воздух из ее внутренней полости. Подогретый воздух не охлаждает выхлопные газы и по этой причине не вызывает выпадения, например, в виде конденсата части вредных веществ, например воды с окислами азота, то есть азотной кислоты, а наоборот, способствует их подогреву и доокислению продуктов неполного сгорания углеводородов топлива. Окислы азота в газообразном состоянии могут быть нейтрализованы полностью или частично в дополнительном каталитическом нейтрализаторе.

Пониженные энергозатраты на дожигание несгоревших углеводородов в отходящих газах достигаются совмещением функции охлаждения поверхности модуля газогенератора и подачи подогретого воздуха в выпускной модуль для повторного окисления несгоревших углеводородов. Известен котел-утилизатор газотурбинной теплофикационной установки, выполненный жаротрубным, содержащий корпус с контуром теплообмена, газоотбойную стенку (см. заявку PCT N WO 94/14000, МПК F 22 B 7/00, опубл. 23.06.94, British Gas PLC). В указанном котле газотурбинной установки теплообменные поверхности и газоходы будут иметь большие аэродинамические сопротивления в местах изменения направления движения отходящих газов, приводящие к потере скорости их движения и снижению теплоотдачи в дымогарных трубах, в результате чего необходимо увеличение поверхности жаровых и дымогарных труб, а также установка вытяжного вентилятора. Таким образом сложно обеспечить прочность корпуса, находящегося под достаточно большим давлением отходящих газов, и использовать естественное конвективное движение отходящих газов. Все описанные явления снижают эффективность работы котла-утилизатора и газотурбинной теплофикационной установки, так как у нее, соответственно, на выпуске будет большое противодавление и часть кинетической энергии потока отходящих из нее газов будет расходоваться на его преодоление.

Также известен котел-утилизатор газотурбинной теплофикационной установки, содержащий корпус с контуром теплообмена, газоотбойную стенку, который снабжен по меньшей мере двумя водяными трубами, расположенными в параллельных плоскостях и связанными с контуром теплообмена корпуса гидравлически (см. патент Франции N 2698681, МПК F 22 B 1/18, F 22 C 6/18, опубл. 03.06.94, Stein Industrie Sosiete Anonyme, Saujet Jean-Francois et Daoud Djamel). Такое выполнение котла-утилизатора приведет к повышенному противодавлению на выпуске, а отсутствие средств распределения и отклонения потока - неравномерной подаче отходящих газов к поверхности теплообмена и, соответственно, неравномерному нагреву водяных труб, перегреву одних участков и недогреву других, что снижает эффективность работы котла-утилизатора, надежность его работы из-за возможности прогорания водяных труб в местах их перегрева, а при их выходе из строя и отказу в работе всей газотурбинной теплофикационной установки в целом.

Известен также жаротрубный котел-утилизатор, содержащий корпус с контуром теплообмена, снабженный по меньшей мере двумя водяными трубами, расположенными в параллельных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с контуром теплообмена корпуса гидравлически, а с корпусом - механически с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов на противоположных стенках жаровой трубы, причем водяные трубы установлены под наклоном к плоскости горизонта (см. патент Российской Федерации N 2009392, МПК F 22 B 7/00, опубл. 15.04.94, Берлин Зиновий Львович и др.). Известное техническое решение наиболее близко к предложенному по количеству совпадающих признаков и решаемой задаче, по этой причине оно выбрано в качестве прототипа предложенного котла-утилизатора. Основным недостатком известной конструкции будет большое аэрогидравлическое сопротивление на выпуске и создаваемое при этом противодавление, неравномерное распределение отходящих газов по теплообменной поверхности водяных труб, неравномерность их нагрева из-за возникновения турбулентного вихря на месте поворота газохода, что приведет к снижению их долговечности и надежности, а также к снижению эффективности работы газотурбинной теплофикационной установки из-за повышенного аэрогидравлического сопротивления и противодавления на выпуске.

Техническими задачами, решаемыми предложенным котлом-утилизатором, являются повышение надежности и эффективности работы, снижение непроизводительных потерь тепла и энергии отходящих газов путем снижения аэрогидравлического сопротивления газового тракта и газохода котла-утилизатора и равномерное распределение отходящих газов по теплообменным поверхностям, что создает более благоприятные условия для работы газотурбинной теплофикационной установки и повышает эффективность и надежность ее работы, простота конструкции снижает стоимость производства и эксплуатации, а повышение виброустойчивости и надежности теплообменника котла-утилизатора вследствие повышения жесткости и прочности корпуса повышает его надежность и снижает виброактивность; повышение надежности работы и улучшение условий эксплуатации путем установки направляющих лопаток и труб теплообменника под углом к горизонту; удешевление производства и эксплуатации из-за простых форм поверхностей, составляющих направляющие лопатки. Для решения поставленных технических задач жаротрубный котел-утилизатор газотурбинной теплофикационной установки содержит корпус с контуром теплообмена и по меньшей мере одной жаровой или дымогарной трубой, снабженной по меньшей мере двумя водяными трубами, предпочтительно расположенными в параллельных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с контуром теплообмена гидравлически, а с корпусом - механически с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов на противоположных стенках соответственно жаровой или дымогарной трубы, причем он дополнительно снабжен наклонной газоотбойной стенкой и направляющими газовыми лопатками, которые выполнены охлаждаемыми и связаны со стенками жаровой трубы жестко с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов и гидравлически с контуром теплообмена корпуса.

А также тем, что оси водяных труб и направляющих лопаток расположены под углом к плоскости горизонта.

И тем, что поперечное сечение направляющих лопаток выполнено в виде прямых, расположенных под углом одна к другой и сопряженных между собой переходными линиями.

Такое выполнение котла-утилизатора позволяет снизить аэрогидравлическое сопротивление газового тракта при движении отходящих газов, уменьшить противодавление на выпуске газотурбинной теплофикационной установки, обеспечить равномерное распределение отходящих газов по теплопередающим поверхностям котла, повысить жесткость и надежность газоотводящего тракта и котла, за счет чего повысить надежность и эффективность работы котла и установки в целом, уменьшить непроизводительные потери тепла и энергии отходящих газов и создать благоприятные условия для работы газотурбинной теплофикационной установки, снизить виброактивность котла.

Котел-утилизатор может иметь направляющие лопатки и водяные трубы, расположенные под углом к горизонтальной плоскости, что повышает надежность и эффективность работы котла-утилизатора, так как при этом создаются условия для создания конвективного движения теплоносителя и улучшения теплообмена в трубах и лопатках, а при остановке в них не останется воды и не будет условий для размораживания теплообменных поверхностей при длительной остановке установки в полевых условиях.

Котел-утилизатор может также иметь поперечное сечение лопаток, выполненное в виде прямых, расположенных под углом одна к другой и сопряженных между собой переходными линиями, что значительно упрощает процесс их изготовления и снижает стоимость изготовления и эксплуатации, так как поверхности, составляющие лопатки, будут плоскими или цилиндрическими, то есть простыми в изготовлении на универсальных гибочных и сварочных установках и станках. На фиг. 1 показана установка и ее котел-утилизатор в разрезе. Модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка содержит модули: газогенератора 1 в виде газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом 2; теплообмена 3 с передней 4 и задней 5 стенками; теплозвукоизоляции 6 с внутренней полостью 7 передней 8, разделительной 9 и задней 10 стенками, причем в полости 7 между передней 8 и задней 10 стенками модуля теплозвукоизоляции 6 располагается модуль 11 очистки впускного воздуха; между разделительной стенкой 9 модуля 6 теплозвукоизоляции и передней стенкой 4 модуля теплообмена 3 размещен модуль газогенератора 1; силового каркаса 12 корпуса 13; впуска 14 и выпуска 15 соответственно со средствами шумоглушения впуска 16 и выпуска 17, модуль выпуска 15 может быть снабжен нейтрализатором вредных выбросов отходящих газов (на чертеже не показан); модули очистки впускного воздуха 11 и нейтрализации отходящих газов устанавливаются обычно на силовом каркасе 12 корпуса 13, но могут устанавливаться непосредственно на входе в модуль газогенератора 1 и на выходе из модуля теплообмена 3; причем газовый тракт 2 модуля газогенератора 1 напрямую связан с модулем 3 теплообмена. Причем установка снабжена вентилятором 18, связанным с модулями впуска 14 и выпуска 15 и установленным с возможностью подачи воздуха за разделительную стенку 9 модуля теплозвукоизоляции 6 и перед передней стенкой 4 модуля теплообмена 3, во внутреннюю полость 7 модуля теплозвукоизоляции 6, а с модулем выпуска 15 - минуя модуль теплообмена 3, причем передняя 8 и разделительная 9 стенки модуля 6 теплозвукоизоляции выполнены подвижными, модуль газогенератора 1 - с возможностью монтажа и демонтажа через обе указанные стенки, а модуль теплообмена 3 выполнен в виде жаротрубного котла-утилизатора 19 с задней наклонной газоотбойной стенкой 20.

Модуль 11 очистки впускного воздуха соединен с модулем газогенератора 1 непосредственно с возможностью быстрой замены, например, при помощи байонетного соединения.

Модуль 1 газогенератора установлен на стойках 21, которые для удобства монтажа и демонтажа снабжены подъемными роликами 22. При необходимости демонтажа газогенератора 1 открываются подвижные передняя 8 и промежуточная 9 стенки модуля теплозвукоизоляции 6. Подъемные ролики 22 стоек 21 опускаются до соприкосновения с направляющими 23, и модуль 1 газогенератора после отсоединения от котла-утилизатора 19 модуля теплообмена 3 выкатывается наружу. Монтируется он в обратном порядке и после монтажа жестко крепится на силовых опорных конструкциях модуля силового каркаса 12 корпуса 13.

Вспомогательные агрегаты 24, необходимые для работы и управления модулем 1 газогенератора, располагаются непосредственно на нем или под ним. Вспомогательные агрегаты и устройства 24, предназначенные для обслуживания внешних потребителей тепла и регулирования условий работы установки, располагаются между наклонной газоотбойной стенкой 20 котла-утилизатора 19 и задней стенкой 10 модуля теплозвукоизоляции 6, что при наличии теплоизоляции на поверхности котла-утилизатора 19 создает благоприятные условия для работы этих агрегатов и устройств. Указанные дополнительные агрегаты и устройства 24 могут иметь двойной привод: электрический, для работы во время пуска и недостатка тепла для работы парогенератора 25, и паровой, для экономии электрической энергии.

Система управления и контроля работы газогенератора 1 и всей установки в целом может располагаться в непосредственной близости от контейнера 26, например, в пристройке к нему, или на любом удалении, например, в здании или сооружении, в котором установлены или размещены потребители тепла.

Модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка работает следующим образом.

После прибытия на место временной или постоянной дислокации, ее развертывания, соединения с источником воды и потребителями тепловой энергии по кольцевой схеме и подготовки к запуску, штатными средствами запуска газогенератора 1, или внешнего стационарного, или передвижного электрогенератора он приводится в рабочее состояние и запускается.

После запуска в модульной передвижной газотурбинной теплофикационной установке выводится на режим модуль газогенератора 1 и разогревается до необходимой рабочей температуры котел-утилизатор 19, а затем включаются один из дополнительных агрегатов, штатный или внешний циркуляционный насос. Объект потребления тепла начинает разогреваться. После его разогрева модуль газогенератора 1 выводится на пониженный стационарный режим работы. Включаются системы автоматической регулировки и поддержания режима работы установки и ее аварийной защиты, например, от превышения давления в газовом тракте 2 газогенератора 1 или в магистралях подачи тепла, или от превышения заданной температуры теплоносителя, или от аварийного осушения магистрали подачи теплоносителя, или ее разрыва, или любой другой известной или предполагаемой аварийной ситуации на самой установке или у потребителя тепловой энергии. Для этого используются любые подходящие по требуемым параметрам системы управления и контроля.

После выхода установки на рабочий режим и выхода на рабочий режим парогенератора дополнительные агрегаты и устройства переводятся на паровой привод. Модуль силового каркаса 12, контейнер 26 и панели 27, которые крепятся на нем и служат для силовой, аварийной, звуковой и тепловой защиты. Причем все эти функции могут выполнять одни и те же панели 27, выполненные из композиционных материалов, например стекло- или углеволоконные маты с пропиткой их эластомерами, что позволяет добиться высокоэффективной защиты от последствий аварий и аварийных ситуаций, например, возникающих при обрыве лопатки или разрушении вентилятора или турбины.

Панели 27 силовой защиты служат для предотвращения аварийных ситуаций при стихийных бедствиях или несанкционированных попытках проникновения в установку.

Питание топливом и другими расходными материалами установки может производиться из емкостей, размещенных на крыше контейнера 26 или из-под пола 28 установки.

Поддержание требуемого температурного режима в полости 7 модуля 6 теплозвукоизоляции осуществляется при помощи вентилятора 18, продувающего в необходимом количестве воздух через указанную полость 7 между разделительной стенкой 9 и передней стенкой модуля теплообмена 3, где размещен модуль газогенератора 1, и выводит нагретый воздух мимо модуля теплообмена 3 через продувочный воздуховод 29 в модуль выпуска 15, где он смешивается с продуктами неполного сгорания топлива и доокисляет их.

Жаротрубный котел-утилизатор 19 газотурбинной теплофикационной установки содержит корпус 30 с контуром теплообмена 31 и жаровой или дымогарной трубой 32 по меньшей мере двумя водяными трубами 33, расположенными в параллельных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с контуром теплообмена 31 корпуса 30 котла-утилизатора 19 гидравлически, а с корпусом 30 - механически с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов на противоположных стенках жаровой трубы 32. Он дополнительно снабжен направляющими лопатками 34, а направляющие лопатки 34 выполнены охлаждаемыми и связаны жестко со стенками жаровой трубы 32 с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов и гидравлически с контуром теплообмена 31 корпуса 30 котла-утилизатора 19.

Водяные трубы 33 могут располагаться в любой части газового тракта 2. Например, при использовании части газов для привода турбогенератора они могут располагаться сразу после него или после направляющих лопаток 35 или в зонах возможных пучностей свободных колебаний стенок жаровой трубы 32.

Оси водяных труб 33 и направляющих лопаток 34 расположены под углом к плоскости горизонта 35. Причем плоскости расположения отдельных водяных труб 33 или составленных из них решеток могут располагаться не только в параллельных плоскостях, но и под углом одна к другой, например, для того чтобы нарушить условия возникновения резонанса их колебаний под действием турбулентных вихрей предыдущей решетки или для использования их в качестве дополнительного аппарата для направления отходящих газов. Особенно это эффективно при использовании водяных труб совместно с направляющими лопатками и газоотбойной стенкой и выполнении их поперечного сечения, отличным от круглого, например в виде овала, эллипса, треугольника, ромба, каплевидного контура или любой иной известной фигуры. Оси водяных труб 33 и направляющих лопаток 34 могут быть при необходимости не только прямолинейными, но и в виде любых известных линий, например ломаными, окружностями, параболами, гиперболами, эллипсами и т.д. При этом могут возникать дополнительные положительные эффекты, например при использовании парабол уменьшаются изгибные нагрузки на трубы от динамического воздействия отходящих газов.

Поперечное сечение жаровой трубы 32 и газового тракта 2 могут не совпадать по форме и быть в виде круга, квадрата, эллипса или иной подходящей геометрической фигуры. В этом случае между ними должен быть соответствующий переходный сопрягающий канал.

Направляющие лопатки 34 котла-утилизатора 19 могут иметь поперечное сечение, выполненное в виде прямых 36, расположенных под углом одна к другой и сопряженных между собой переходными линиями 37, то есть они будут составлены из плоских поверхностей и несложных, например цилиндрических или конических переходных поверхностей, соединенных между собой жестко, например сваркой, что значительно упрощает изготовление и последующую эксплуатацию и ремонт. Конические поверхности могут получиться, например, если направляющие лопатки будут выполнены в виде части кольца.

Котел-утилизатор 19 работает следующим образом.

После начала работы модуля газогенератора 1 газотурбинной теплофикационной установки отходящие газы из газового тракта 2 газогенератора поступают в жаровую трубу 32, в которой направление их движения изменяют направляющие лопатки 34 и задняя наклонная газоотбойная стенка 34. Наибольшую часть потока естественно отклоняют и распределяют по водяным трубам 33 направляющие лопатки 34, а незначительную оставшуюся часть - газоотбойная стенка 20. При этом отходящие газы с наименьшими потерями и оптимальной турбулизацией и потерями кинетической энергии, которые могут быть рассчитаны или получены опытным путем, омывают охлаждаемые направляющие лопатки 34 и водяные трубы 33, не нарушая динамическую и естественную конвективную тягу в выпускном модуле 15. При этом снижается шум от работы установки и от турбулентных вихрей в котле-утилизаторе 19.

В контуре теплообмена 31 котла-утилизатора 19 в качестве теплоносителя могут быть использованы различные жидкости, например низкозамерзающие, такие как этиленгликолевый антифриз или ТОСОЛ, легкокипящие - фреоны, труднокипяшие - силиконовые жидкости. Каждый вид теплоносителя выбирается исходя из условий назначения теплофикационной установки и потребителя тепла, например для ускорения теплопередачи при низком тепловом напоре можно использовать легкокипящие жидкости, для максимального удешевления затрат на эксплуатацию - воду, для специальных целей - антифризы или силиконовые жидкости.

Модульная передвижная газотурбинная установка содержит модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена с передней и задней стенками, теплозвукоизоляции с внутренней полостью, передней, задней, разделительной стенками, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска со средствами шумоглушения впуска и выпуска, управления и контроля, очистки впускного воздуха и выхлопных газов, установленные на силовом каркасе корпуса. Газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена. Установка снабжена вентилятором, связанным с впускным и выпускным модулями и установленным с возможностью подачи воздуха за разделительную стенку модуля теплозвукоизоляции и перед передней стенкой модуля теплообмена во внутреннюю полость модуля теплозвукоизоляции, а с выпускным модулем - минуя модуль теплообмена. Передняя и разделительная стенки модуля теплозвукоизоляции выполнены подвижными. Модуль газотурбинного двигателя или его газогенератора выполнен с возможностью монтажа и демонтажа через обе стенки. Модуль теплообмена выполнен в виде жаротрубного котла-утилизатора с задней газоотбойной стенкой. Жаротрубный котел-утилизатор содержит корпус с контуром теплообмена и по меньшей мере одной жаровой или дымогарной трубой, снабженной по меньшей мере двумя водяными трубами, расположенными в разных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с контуром теплообмена гидравлически, а с корпусом механически с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов. Котел-утилизатор дополнительно снабжен наклонной газоотбойной стенкой и направляющими газовыми лопатками. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности установки. 2 c. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Модульная передвижная газотурбинная теплофикационная установка, содержащая модули газотурбинного двигателя или его генератора газа с газовым трактом, теплообмена с передней и задней стенками, теплозвукоизоляции с внутренней полостью, передней, задней, разделительной стенками, силового каркаса корпуса, впуска и выпуска со средствами шумоглушения впуска и выпуска, управления и контроля, очистки впускного воздуха и выхлопных газов, установленные на силовом каркасе корпуса, причем газовый тракт модуля газотурбинного двигателя напрямую связан с модулем теплообмена, отличающаяся тем, что снабжена вентилятором, связанным с впускным и выпускным модулями и установленным с возможностью подачи воздуха за разделительную стенку модуля теплозвукоизоляции и перед передней стенкой модуля теплообмена во внутреннюю полость модуля теплозвукоизоляции, а с выпускным модулем - минуя модуль теплообмена, причем передняя и разделительная стенки модуля теплозвукоизоляции выполнены подвижными, модуль газотурбинного двигателя или его газогенератора - с возможностью монтажа и демонтажа через обе стенки, а модуль теплообмена выполнен в виде жаротрубного котла-утилизатора с наклонной задней газоотбойной стенкой. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена парогенератором и средствами потребления пара. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что средство потребления пара выполнено в виде паровой турбины с электрогенератором. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что средство потребления пара выполнено в виде приводимых паром водяных насосов. 5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что средство потребления пара выполнено в виде приводимых паром вспомогательных агрегатов. 6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что между задней стенкой модуля теплозвукоизоляции и наклонной задней, газоотбойной стенкой котла-утилизатора размещены вспомогательные агрегаты. 7. Жаротрубный котел-утилизатор газотурбинной теплофикационной установки, содержащий корпус с контуром теплообмена и по меньшей мере одной жаровой или дымогарной трубой, снабженной по меньшей мере двумя водяными трубами, расположенными в разных плоскостях перпендикулярно одна другой и связанными с контуром теплообмена гидравлически, а с корпусом - механически с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов на противоположных стенках соответственно жаровой или дымогарной трубы, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен наклонной газоотбойной стенкой и направляющими газовыми лопатками, которые выполнены охлаждаемыми и связаны со стенками жаровой трубы жестко с возможностью компенсации радиальных усилий от давления отходящих газов и гидравлически с контуром теплообмена корпуса. 8. Котел-утилизатор по п. 7, отличающийся тем, что оси водяных труб и направляющих лопаток расположены под углом к плоскости горизонта. 9. Котел-утилизатор по п. 7, отличающийся тем, что поперечное сечение направляющих лопаток выполнено в виде прямых, расположенных под углом одна к другой и сопряженных между собой переходными линиями.