ВОДЯНАЯ СИСТЕМА ГЕНЕРАТОРА ИНЕРТНОГО ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК A62C3/00 A62C5/00 F23R3/54 

Изобретение относится к водяным системам генераторов инертных газов с камерой дожигания, выполненных на базе газотурбинных двигателей и используемых для тушения пожаров в подземных выработках, шахтах, рудниках, туннелях, в жилых и складских помещениях, для дегазации и выпаривания нефтепродуктов из емкостей и нефте- и газопроводов, а также для защиты растений от заморозков.

Известен генератор инертных газов на базе воздушно-реактивного двигателя для создания газового потока по авторскому свидетельству СССР №315761, МПК Е 21 f 5/00. Его водяная система содержит линию подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и в коллектор с насадками, расположенными над выходом из камеры дожигания.

В процессе работы генератора вода, проходя по каналу охлаждения, охлаждает стенку жаровой трубы камеры дожигания, а из коллектора насадками впрыскивается в поток выхлопных газов, выходящих из камеры дожигания. В свободном потоке выхлопных газов вода испаряется, понижая их температуру. В результате образуется парогазовая инертная смесь с низким содержанием свободного кислорода, направляемая к очагу пожара.

Однако при впрыске воды в свободный поток выхлопных газов некоторая ее часть, не успев испариться, выпадает из потока, не достигнув очага пожара, что приводит к ее перерасходу.

Известен также генератор инертного газа на базе газотурбинного двигателя по авторскому свидетельству СССР №700142, МПК А 62 С 1/12, опубликованному 30.11.1979, водяная система которого свободна от указанного недостатка.

Водяная система этого генератора содержит линию подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания, испаритель и коллектор с насадками, расположенными на входе в испаритель. Кроме того, в стенке жаровой трубы, на некотором удалении от его фронтового устройства, выполнены отверстия для подачи воды из канала охлаждения в полость жаровой трубы для частичного снижения температуры продуктов сгорания.

Водяная система генератора инертного газа по авторскому свидетельству СССР №700142 наиболее близка к предлагаемой. Следует обратить внимание на работу прототипа, когда проявляются его достоинства и недостатки.

До запуска генератора включают его водяную систему.

Вода по линии подвода поступает в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и в средство подачи воды в испаритель, выполненное в виде коллектора с насадками.

Через отверстия в стенке жаровой трубы вода поступает в ее полость, а через насадки - в коллектор-испаритель, накапливаясь в нижних частях полостей жаровой трубы и испарителя.

После включения водяной системы начинается запуск газотурбинного двигателя. От момента запуска до выхода газотурбинного двигателя на заданный режим проходит не менее 20 секунд.

По окончании процесса запуска газотурбинного двигателя начинается запуск камеры дожигания. От начала запуска камеры дожигания и до выхода ее на заданный режим проходит не менее 17 секунд.

От начала включения водяной системы и до начала работы генератора проходит не менее 37 секунд. За это время, например при общем расходе воды около 6000 кг/ч, в нижних частях полостей жаровой трубы и испарителя накапливается около 61,7 кг воды.

Часть этой воды выльется или выдуется выхлопными газами газотурбинного двигателя за выходное сечение генератора, а большая ее часть к началу работы генератора остается в нижних частях полостей жаровой трубы и испарителя.

В случае же, когда к генератору подсоединяется трубопровод для подачи инертного газа на верхние этажи строения, где возник пожар, практически вся накопившаяся вода к началу работы генератора остается в нижних частях полостей жаровой трубы и испарителя.

Выхлопные газы газотурбинного двигателя генератора поступают в камеру дожигания, куда впрыскивается топливо и где происходит его выгорание за счет остатка кислорода, содержащегося в выхлопных газах. В результате их температура повышается, а содержание кислорода понижается. В испарителе происходит понижение температуры выхлопных газов до заданной величины (≈100°С) за счет испарения воды.

Благодаря впрыску воды в полость жаровой трубы и в испаритель процесс ее испарения в выхлопных газах камеры дожигания полностью заканчивается.

Образовавшаяся парогазовая инертная смесь с низким содержанием кислорода практически не содержит капель воды на выходе из испарителя.

Такая последовательность вступления в работу генератора инертного газа объясняется тем, что к моменту вывода газотурбинного двигателя на заданный режим водяная система должна быть уже заполнена водой, чтобы обеспечить охлаждение стенок жаровой трубы камеры дожигания.

Однако, наличие значительного количества воды в нижней части полости жаровой трубы камеры дожигания к началу роботы генератора приводит к деформации температурного поля в жаровой трубе, в результате максимальная температура смещается ближе к верхней части стенки жаровой трубы.

Верхняя часть стенки жаровой трубы в начальный момент работы генератора оказывается перегретой, а нижняя часть переохлажденной. В результате стенка жаровой трубы находится под воздействием значительного градиента температур до тех пор, пока вся вода из нижней части полости жаровой трубы под действием высокотемпературных продуктов сгорания не испарится. Кроме того подвод воды через отверстия в стенке жаровой трубы в ее полость нарушает течение воды в канале охлаждения за отверстиями.

Все это затрудняет организацию охлаждения стенки жаровой трубы и приводит к ее короблению и растрескиванию, в частности за отверстиями, а следовательно, снижает надежность камеры дожигания и устройства в целом.

Наличие воды в нижней части полости испарителя в начальный момент работы генератора также нарушает его нормальную работу и снижает экономичность устройства, поскольку приводит к перерасходу воды.

Поэтому была поставлена задача внести в водяную систему генератора инертного газа на базе газотурбинного двигателя такие усовершенствования, которые позволили бы получить комплексный технический результат, а именно: повышение надежности и эффективности работы при одновременном повышении экономичности устройства наряду с расширением его возможностей.

Этот технический результат может быть достигнут при одновременном получении нескольких, логически взаимосвязанных и подчиненных основному технических результатов, а именно:

1. Обеспечение предварительного удаления воды из нижних частей полости жаровой трубы и испарителя к началу работы генератора путем исключения нарушения течения воды в канале охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и испарителя.

2. Обеспечение подачи инертного газа не только в объекты на уровне размещения генератора инертного газа, но и на верхние этажи строения.

3. Исключение перерасхода воды в начальный период работы генератора при одновременном повышении эффективности охлаждения жаровой трубы камеры дожигания.

Эта задача решается тем, что в известной водяной системе генератора инертного газа, содержащей линию подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и средства подачи воды в испаритель, внесены усовершенствования, а именно:

Система дополнительно снабжена линией дренажа воды, которая подключена к полости жаровой трубы и к каналу охлаждения в их нижних частях.

Средства подачи воды в испаритель установлены на жаровой трубе в конце канала охлаждения и сообщены с последним.

Это позволяет удалять воду из нижней полости жаровой трубы и испарителя по мере ее подачи в испаритель и добиться того, что к началу выхода генератора на заданный режим, вода в жидкой фазе практически отсутствует в нижних частях полостей жаровой трубы и испарителя.

Для возврата дренируемой из полости жаровой трубы воды назад в водяную систему генератора линия дренажа воды вторым своим концом соединена с линией подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы.

Это обеспечивает сокращение потерь воды и более рациональное ее использование.

При этом водяная система будет более экономичной и обеспечит удаление из нее газообразных продуктов сгорания, образующихся в камере дожигания при ее работе, если для сбора дренируемой воды в линии дренажа воды дополнительно установлена водосборная емкость с фильтрующим и суфлирующим устройствами.

Кроме того дренируемая вода будет очищена и от твердых частиц, что также положительно скажется на надежности работы генератора.

Особо ответственны случаи необходимости подсоединения к генератору трубопровода для подачи инертного газа на верхние этажи строения, где возник пожар. В этом случае система будет более эффективна, если водосборная емкость дополнительной линией подключена к проточной части генератора в нижней ее части за испарителем.

Этим достигается отвод конденсата воды из трубопровода, подсоединенного к генератору для подачи инертного газа, и исключается попадание этого конденсата из указанного трубопровода в испаритель и далее в жаровую трубу, что могло бы нарушить их нормальную работу.

Средства подачи воды в испаритель, установленные на жаровой трубе в конце канала охлаждения, являются дискретными по окружности.

Между ними в испарителе могут образоваться застойные зоны, где вода может закипеть. Дополнение водяной системы генератора линией суфлирования с дросселем, подключенной с одной стороны к каналу охлаждения в верхнем его конце, а с другой стороны к полости испарителя в верхней ее части, позволяет отвести пары воды из канала охлаждения в испаритель.

Это предотвращает образование паровой пробки в верхнем конце канала охлаждения и обеспечит непрерывное охлаждение стенки жаровой трубы, особенно в начальный период работы камеры дожигания.

Стенки жаровой трубы не подвергаются воздействию значительного градиента и не нарушается течение в канале охлаждения жаровой трубы во все время работы камеры дожигания.

В конечном счете повышается эффективность охлаждения жаровой трубы, исключается перерасход рабочего тела и воды, особенно в начальный период работы генератора, повышается его надежность.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на

- фиг.1 представлена схема водяной системы генератора инертного газа;

- фиг.2 изображен элемент А фиг.1 места подключения линии дренажа воды к каналу охлаждения жаровой трубы.

Водяная система генератора 1 инертного газа содержит линию 2 подвода воды в канал 3 охлаждения жаровой трубы 4 камеры 5 дожигания, средства 6 подачи воды в испаритель 7, размещенный по потоку за жаровой трубой 4, и линию 8 дренажа воды.

Линия 8 дренажа воды подключена одним своим концом как к полости 9 жаровой трубы 4, так и к каналу 3 ее охлаждения в их нижних частях. Средства 6 подачи воды в испаритель 7 установлены на жаровой трубе 4 в конце канала 3 охлаждения и сообщены с последним. Средства 6 выполнены, например, в виде отдельных форсунок, равнорасположенных по окружности.

Линия 8 дренажа воды другим своим концом 10 через водосборную емкость 11 соединена с линией 2 подвода воды в канал 3 охлаждения жаровой трубы 4.

Установленная в линии 8 водосборная емкость 11 содержит фильтрующее 12 и суфлирующее 13 устройства.

Далее линия 2 подвода воды в канал 3 охлаждения жаровой трубы 4 подключена к специальному резервуару 14 с водой. В линии 2 подвода воды в канал 3 установлен нагнетающий насос 15.

Второй конец 10 линии 8 дренажа воды соединен с линией 2 подвода воды в канал 3 через резервуар 14.

Для тушения пожаров на верхних этажах строений к генератору 1 на его выходе за испарителем 7 дополнительно подсоединяется трубопровод 16.

При этом водосборная емкость 11 дополнительной линией 17 подключается к проточной части 18 генератора 1 в нижней ее части за испарителем 7.

При расположении резервуара 14 выше точек подключения линии 8 дренажа воды к полости 9 жаровой трубы 4 и линии 17 к проточной части 18 генератора 1 за водосборной емкостью 11 устанавливается откачивающий насос 19.

Перед насосом 19 может быть размещен теплообменник 20.

В резервуаре 14 установлены фильтрующее 21 и суфлирующее 22 устройства.

Подключение линии 8 дренажа воды к полости 9 жаровой трубы 4 и к каналу 3 охлаждения в их нижних частях выполнено посредством полой втулки 23, пронизывающей канал 3 охлаждения и сообщенной с последним, по крайней мере, одним тангенциальным отверстием 24, выполненным в стенке втулки 23. Водяная система генератора 1 также снабжена линией 25 суфлирования. Линия 25 подключена с одной стороны к каналу 3 охлаждения в верхнем его конце, а с другой стороны к полости 26 испарителя 7 в верхней ее части. В линии 25 установлен дроссель 27.

Заявляемая система работает следующим образом.

Запуск генератора 1 начинается с включения его водяной системы. При включении водяной системы нагнетающий насос 15 начинает подавать воду в линию 2 подвода воды из резервуара 14 через фильтрующее устройство 21.

По мере уменьшения объема воды в резервуаре 14 через суфлирующее устройство 22 в него поступает воздух из окружающей среды. По линии 2 вода поступает в канал 3 охлаждения жаровой трубы 4 камеры дожигания 5, заполняя последний. После заполнения канала 3 вода форсунками 6 подается в распыленном виде в полость 26 испарителя 7. Некоторая часть воды из канала 3 по линии 25 суфлирования через дроссель 27 отводится в полость 26 испарителя 7 и совсем незначительное количество воды через отверстие 24 в стенке полой втулки 23 поступает в линию 8 дренажа воды. Так как генератор еще не работает, вся вода, поступающая в полость 26 испарителя 7, стекает по его стенкам в нижнюю часть полости 26 и самотеком сливается в нижнюю часть полости 9 жаровой трубы 4, откуда через полую втулку 23 также самотеком по линии 8 сливается в водосборную емкость 11, вытесняя из нее воздух через суфлирующее устройство 13. После включения водяной системы начинается запуск газотурбинного двигателя 28.

При выходе газотурбинного двигателя 28 на заданный режим начинается запуск камеры дожигания 5. От начала запуска газотурбинного двигателя 28 и до выхода камеры дожигания 5 на заданный режим работы проходит не менее 37 секунд. Все это время вода самотеком по линии 8 сливается в водосборную емкость 11.

К моменту начала работы генератора 1 вода в жидкой фазе практически отсутствует в нижних частях полостей 9 и 26 жаровой трубы 4 и испарителя 7.

В процессе работы генератора 1 из полости 9 жаровой трубы 4 через полую втулку 23 в линию 8 дренажа воды поступают горячие газообразные продукты сгорания. Одновременно во втулку 23 через тангенциальные отверстия 24 в ее стенке из канала 3 поступает вода, приобретая вращательное движение. Под действием горячих газообразных продуктов сгорания вода испаряется, снижая температуру продуктов сгорания и образуя парогазовую смесь.

Парогазовая смесь по линии 8 поступает в водосборную емкость 11, где происходит частичная конденсация пара, а остальная часть парогазовой смеси удаляется из водосборной емкости 11 через суфлирующее устройство 13 в окружающую среду. Часть парогазовой смеси, образовавшейся в испарителе 7, по линии 17 также поступает в водосборную емкость 11, где частично пары воды конденсируются, а остальная часть парогазовой смеси удаляется через суфлирующее устройство 13 в окружающую среду.

Если же к генератору 1 подсоединен трубопровод 16 для подачи парогазовой смеси к очагу пожара, находящемуся на верхнем этаже строения, то конденсат, образующийся в трубопроводе 16, по линии 17 удаляется в водосборную емкость 11.

При накоплении воды в водосборной емкости 11 до определенного верхнего уровня подается команда на открытие слива из водосборной емкости 11 и вода через фильтр 12 и теплообменник 20, где происходит дальнейшее понижение ее температуры, самотеком поступает в резервуар 14. Если резервуар 14 находится выше точки подключения линии 8 дренажа воды к полости 9 жаровой трубы 4 и линии 17 к проточной части 18 генератора 1, то включается откачивающий насос 19, подающий воду из водосборной емкости 11 в резервуар 14.

Из резервуара 14 насосом 15 вода возвращается в линию 2 подвода воды в канал 3 охлаждения жаровой трубы 4 камеры дожигания 5.

При снижения уровня воды в водосборной емкости 11 до нижнего уровня поступает команда на закрытие слива из водосборной емкости 11 и отключение насоса 19. При дальнейшей работе генератора 1 циклы накопления воды в водосборной емкости 11 и слива воды из водосборной емкости 11 многократно повторяются.

При работе генератора 1 часть воды из канала 3 охлаждения жаровой трубы 4 по линии 25 суфлирования через дроссель 27 сливается в полость 26 испарителя 7, где испаряется. В случае образования по каким-либо причинам пара в канале 3 он удаляется по линии 25 в полость 26 испарителя 7.

Заявляемое техническое решение проверено на нескольких опытных образцах, введенных в генератор инертных газов АИ - 19 ГИГ, разработанный фирмой-заявителем.

Предлагаемая водяная система генератора инертного газа позволила удалить воду из нижних частей полостей жаровой трубы и испарителя к началу работы генератора, чем исключила нарушения течения воды в канале охлаждения жаровой трубы камеры дожигания.

Рациональное использование воды возвратом через дренаж в водяную систему исключило ее перерасход на 50%.

Повысилась эффективность охлаждения жаровой трубы, что предотвратило ее растрескивание и разрушение, а следовательно, повысилась надежность как системы, так и генератора в целом, что обеспечивает его высокую работоспособность и эффективность при тушении пожаров самой высокой сложности.

Водяная система для генераторов инертных газов с камерой дожигания, выполненных на базе газотурбинных двигателей, предназначена для применения в генераторах инертного газа для пожаротушения, к водяным системам которых предъявляются очень высокие требования, поскольку они используются для тушения пожаров в подземных выработках, шахтах, рудниках, туннелях, в жилых и складских помещениях, для дегазации и выпаривания нефтепродуктов из емкостей и нефте- и газопроводов, а также для защиты растений от заморозков. Водяная система генератора инертного газа содержит линию подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и средства подачи воды в испаритель. Система дополнительно снабжена линией дренажа воды, подключенной как к полости жаровой трубы, так и к каналу охлаждения в их нижних частях. При этом средства подачи воды в испаритель установлены на жаровой трубе в конце канала охлаждения и сообщены с ним. Линия дренажа воды соединена также с линией подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы. В линии дренажа воды установлена водосборная емкость с фильтрующим и суфлирующим устройствами, дополнительной линией подключенная к проточной части генератора в нижней ее части за испарителем. Кроме того, водяная система снабжена дросселем в линии суфлирования, которая подключена с одной стороны к каналу охлаждения в верхнем его конце, а с другой стороны к полости испарителя в верхней ее части. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности работы при одновременном повышении экономичности устройства наряду с расширением его возможностей. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Водяная система генератора инертного газа, содержащая линию подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы камеры дожигания и средства подачи воды в испаритель, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена линией дренажа воды, подключенной к полости жаровой трубы и к каналу охлаждения в их нижних частях, а средства подачи воды в испаритель установлены на жаровой трубе в конце канала охлаждения и сообщены с последним.2. Водяная система по п.1, отличающаяся тем, что линия дренажа воды дополнительно соединена с линией подвода воды в канал охлаждения жаровой трубы.3. Водяная система по п.2, отличающаяся тем, что в линии дренажа воды установлена водосборная емкость с фильтрующим и суфлирующим устройствами.4. Водяная система по п.3, отличающаяся тем, что водосборная емкость дополнительной линией подключена к проточной части генератора в нижней ее части за испарителем.5. Водяная система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что она снабжена линией суфлирования с дросселем, подключенной с одной стороны к каналу охлаждения в верхнем его конце, а с другой стороны к полости испарителя в верхней ее части.