СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ УТЕЧКИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2015 года по МПК F28F11/00 F28D17/04 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к работе энергетической установки и более конкретно - к системе снижения утечки газа через регенеративные теплообменники таких энергетических установок.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

При эксплуатации энергетической установки регенерационные теплообменники, такие как воздухоподогреватели, используются для восстановления физического тепла, содержащегося в потоке топочного газа, выходящего из котла, чтобы придать его поступающему в него воздуху для горения. В дополнение к предварительному нагреву воздуха для горения восстановленное тепло может быть использовано для нагрева воздушного потока, который может быть использован для сушки угля с целью его измельчения и сжигания в печи.

В зависимости от характеристик топлив и общей конструкции системы разрабатывают характеристики и качества воздушных потоков. Например, в энергетических установках, с подводом кислорода для применений с подводом кислорода, для сжигания топлива обычно используют смесь почти чистого кислорода и рециркулированного топочного газа. В таких применениях есть наиболее вероятные шансы того, что кислород перейдет в топочный газ из-за статического перепада давления между потоками рециркулированного топочного газа и топочного газа. Такая утечка является одной из основных проблем из-за больших капитальных вложений в воздухоразделительную установку (ВРУ), входящую в состав энергетических установок с подводом кислорода для отделения кислорода из воздуха, и ее высокого собственного энергопотребления. Чтобы уменьшить такую утечку, на практике широко распространено применение уплотнений под давлением, которое может обычно считаться удовлетворительным по назначению, но может быть неудовлетворительным, чтобы предотвратить смешивание остаточного количества кислорода с топочным газом из-за такой утечки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение описывает систему снижения утечки, которая будет представлена в последующем упрощенном изложении, чтобы обеспечить базовое понимание одного или нескольких объектов настоящего изобретения, которые призваны не только преодолеть рассмотренные недостатки, но и включают в себя все его преимущества наряду с предоставлением некоторых дополнительных преимуществ. Это краткое изложение не является исчерпывающим обзором изобретения. Оно не предназначено ни для идентификации ключевых или критически важных элементов изобретения, ни для очерчивания объема настоящего изобретения. Напротив, единственной целью данного краткого изложения является представление некоторых концепций изобретения, его объектов и преимуществ в упрощенной форме в качестве прелюдии к более подробному описанию, которое представлено далее.

Задачей настоящего изобретения является существенное снижение или предотвращение смешивания кислорода с топочным газом в энергетических установках с подводом кислорода. Различные другие цели и особенности настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания и формулы изобретения.

Вышеотмеченные и другие задачи могут быть решены при помощи системы снижения утечки при эксплуатации энергетической установки и соответствующего способа.

Согласно одному из объектов настоящего изобретения, система снижения утечки содержит:

регенеративный теплообменник, имеющий роторный узел, установленный с возможностью вращения на роторной колонне, причем роторный узел имеет теплообменный элемент, а также корпус, выполненный с возможностью приема роторного узла, причем корпус имеет первые входную и выходную камеры для сквозного пропускания газового потока, а также вторые входную и выходную камеры; канальное устройство, сконфигурированное для второй входной камеры, и разделительное устройство, расположенное поперек канального устройства второй входной камеры для конфигурирования, первичный вход для пропускания через него рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, а также вторичный вход, смежный с первичным входом, для пропускания через него рециркулируемого топочного газа, сохраняя поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, по существу от смешивания с потоком топочного газа, тем самым снижая его утечку.

В одном варианте осуществления вышеуказанного объекта, разделительное устройство содержит разделительную пластину, расположенную вдоль и поперек канального устройства.

В одном варианте осуществления вышеуказанного объекта поток рециркулируемого газа изокинетически подается в канальное устройство. В одном варианте осуществления вышеуказанного объекта первые входная и выходная камеры, а также вторые входная и выходная камеры разделены поперек диаметра роторного узла.

Согласно другому объекту настоящего изобретения предложен способ для снижения утечки при эксплуатации энергетической установки. При этом способ содержит:

использование регенеративного теплообменника, причем регенеративный теплообменник имеет роторный узел, установленный на роторную колонну с возможностью вращения, причем роторный узел имеет теплообменный элемент, а также корпус, выполненный с возможностью приема роторного узла в себя, при этом корпус имеет первые входную и выходную камеры для сквозного пропускания потока топочного газа, а также вторые входную и выходную камеры; причем вторая входная камера содержит канальное устройство, имеющее разделительное устройство, расположенное там поперек для конфигурирования первичных и вторичных входов; пропускание потока рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, через первичный вход, а также пропускание потока рециркулируемого топочного газа через вторичный вход, сохраняя поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, по существу от смешивания с потоком топочного газа, тем самым снижая его утечку.

В одном варианте осуществления вышеописанного объекта пропускание потока рециркулируемого топочного газа содержит его изокинетическую подачу в канальное устройство.

Кроме того, в одном варианте осуществления обоих вышеописанных объектов система снижения утечки дополнительно содержит систему продувки, смонтированную в непосредственной близости от роторной колонны для пропускания рециркулируемого топочного газа.

Вместе с другими объектами настоящего изобретения, а также различными инновационными признаками, отличающими настоящее изобретение, эти объекты указаны в отношении конкретно настоящего изобретения. Для лучшего понимания настоящего изобретения, его эксплуатационных преимуществ и его использования должна быть сделана ссылка на сопровождающие чертежи и описательный материал, в котором проиллюстрированы примерные варианты осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут более понятны со ссылкой на последующее подробное описание и формулу изобретения, рассматриваемые совместно с сопровождающими чертежами, на которых идентичные элементы обозначены одинаковыми символами и на которых:

на фиг. 1 показан вид сбоку системы снижения утечки при эксплуатации энергетической установки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2А и 2В, соответственно, проиллюстрированы виды сбоку и сверху системы снижения утечки при эксплуатации энергетической установки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3А и 3В соответственно проиллюстрированы виды сбоку и сверху системы снижения утечки при эксплуатации энергетической установки, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения; и

на фиг. 4 проиллюстрирована блок-схема способа для снижения утечки при эксплуатации энергетической установки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Идентичные ссылочные позиции относятся к идентичным деталям по всему описанию нескольких видов чертежей.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для полного понимания настоящего изобретения должна быть сделана ссылка на последующее подробное описание, в том числе прилагаемую формулу изобретения, в связи с вышеописанными чертежами. В последующем описании для пояснительных целей многие конкретные детали изложены для обеспечения полного понимания настоящего изобретения. Для специалистов в данной области техники, однако, будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных деталей. В других случаях конструкции и устройства показаны только в виде блок-схем, чтобы избежать усложнений в описании изобретения. Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «другой вариант осуществления», «различные варианты осуществления» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены, по меньшей мере, в один вариант осуществления настоящего изобретения. Появление фразы «в одном варианте» в различных местах в описании не обязательно относится к тому же самому варианту осуществления, равно как отдельные или альтернативные варианты осуществления не являются взаимоисключающими с другими вариантами осуществления. Кроме того, описаны различные признаки, которые могут быть проиллюстрированы одними, а не другими, вариантами осуществления. Аналогичным образом описаны различные требования, которые могут представлять собой требования к некоторым вариантам осуществления, однако могут не предъявляться к другим вариантам осуществления.

Хотя последующее описание содержит много специфики для иллюстративных целей, любому специалисту в данной области техники понятно, что многие изменения и/или дополнения к этим деталям находятся в пределах объема настоящего изобретения. Аналогичным образом, хотя многие из признаков настоящего изобретения описаны применительно друг к другу или в сочетании друг с другом, специалисту в данной области техники понятно, что многие из этих признаков могут быть предусмотрены независимо от других признаков. Соответственно это описание настоящего изобретения изложено без потери общности и без наложения ограничений по настоящему изобретению. Кроме того, относительные термины, например «первичный», «вторичный», «первый», «второй» и т. п., здесь не обозначают какой-либо порядок, величину или значение, а скорее используются, чтобы отличить один элемент от другого. Кроме того, термины «а» и «an» здесь обозначают не ограничение количества, а обозначают присутствие, по меньшей мере, одного из элементов, на который сделана ссылка.

В данном документе раскрыта система снижения утечки на энергетической установке. Энергетическая установка может представлять собой энергетическую установку с подводом кислорода. Хотя настоящее изобретение было показано и описано применительно к энергетической установке с подводом кислорода, изобретением может рассматриваться использование такой ​​системы снижения утечки для других применений. Поскольку строительство и конструкция энергетической установки с подводом кислорода хорошо известны специалистам в данной области техники, для целей приобретения понимания настоящего изобретения не нужно излагать здесь все конструктивные элементы и приводить их описание. Скорее достаточно просто отметить, что показанная на фиг. 1 система 1000 снижения утечки может быть успешно использована на различных энергетических установках в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Как теперь будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, система 1000 снижения утечки в соответствии с примерным вариантом осуществления обеспечивает преимущества, которые включают в себя, но не ограничиваются этим, существенное снижение и/или фактическую минимизацию содержания кислорода в потоке топочного газа в энергетических установках с подводом кислорода. Здесь также, как показано на фиг. 1-3В, описание системы 100 снижения утечки выполнено по отношению к двухсекторному регенеративному теплообменнику, такому как регенеративный теплообменник 100, но в пределах объема настоящего изобретения, причем система 1000 снижения утечки в соответствии с настоящим изобретением может также быть приспособлена к конфигурированию в сочетании с трехсекторными регенеративными теплообменниками, четырехсекторными регенеративными теплообменники и т. п. и не должна рассматриваться как ограниченная только двухсекторным регенеративным теплообменником, таким как показанный здесь регенеративный теплообменник 100.

Обратившись теперь к рассмотрению фиг. 1, видим проиллюстрированный вид сбоку системы 1000 снижения утечки для энергетической установки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 1000 снижения утечки включает в себя регенеративный теплообменник 100, канальное устройство 200 и разделительное устройство 300. Регенеративный теплообменник 100 представляет собой вращающийся регенеративный теплообменник, например вращающийся регенеративный воздухоподогреватель. Регенеративный теплообменник 100 (далее именуемый «теплообменник 100») включает в себя роторный узел 102, установленный на роторную колонну 104 с возможностью вращения (показан на фиг. 2А и фиг. 3А). Роторный узел 102 включает в себя теплообменный элемент 106, имеющий различные многоуровневые теплообменные пластины для передачи тепла между потоком топочного газа и потоком рециркулируемого топочного газа. Теплообменник 100 также включает в себя корпус 108 (показан на фиг. 2А и фиг. 3А), приспособленный для размещения в нем роторного узла 30.

Корпус 108 включает в себя первые входную и выходную камеры 110а и 110b для сквозного пропускания потока топочного газа (как указано стрелкой «А»). Корпус 108 дополнительно включает в себя вторые входную и выходную камеры 112а и 112b для сквозного пропускания через него потока рециркулируемого топочного газа (обозначенного стрелкой «B»). В одном варианте осуществления первые входная и выходная камеры 110а и 110b, а также вторые входная и выходная камеры 112а и 112b разделены по диаметру роторного узла 102 для пропускания соответственно потоков топочного газа и рециркулируемого топочного газа. Поток топочного газа из котла поступает в теплообменник 100 из первой входной камеры 110а и выходит из первой выходной камеры 110b. Кроме того, поток рециркулируемого топочного газа поступает в теплообменник 100 из второй входной камеры 112а и выходит из второй выходной камеры 112b. Упомянутый газ проходит через теплообменный элемент 106 при входе в теплообменник 100.

Теплообменный элемент 106 в теплообменнике 100 передает тепло между потоком топочного газа и потоком рециркулируемого топочного газа. Во время такой передачи утечка из потока рециркулируемого топочного газа в поток топочного газа является одной из распространенных проблем из-за перепада давления между потоками топочного газа и рециркулируемого топочного газа. Для предотвращения такой утечки, например, в некоторых теплообменниках между корпусом 108 и теплообменным элементом 106 могут быть расположены радиальные и осевые уплотнительные пластины. Такие уплотнения сводят к минимуму утечку потока рециркулируемого топочного газа в поток топочного газа. Такие радиальные и осевые уплотнения могут быть прикреплены штифтами к ротору и свободно перемещаться, чтобы избежать тепловых деформаций. Такие радиальные и осевые уплотнения можно также регулировать онлайн, используя датчики в случае любой расстыковки или деформаций, чтобы избежать утечки между потоками рециркулируемого топочного газа и топочного газа. В другом примере в некоторых теплообменниках для минимизации утечки газа вместо радиальных и осевых уплотнений предусмотрены мембранные пластины. Настоящее изобретение призвано охватить все воздушные теплообменники такого рода для минимизации утечки газа, без ограничения его объема по отношению к любому конкретному типу теплообменника, например к теплообменнику 100.

Кроме того, как указано выше, система 1000 снижения утечки также включает в себя канальное устройство 200, сконфигурированное под вторую входную камеру 112а. Поток рециркулируемого газа изокинетически подается через канальное устройство 200. По аналогии с канальным устройством 200 на второй входной камере 112а каждая входная и выходная камера, например 110a, 110b, 112b, может также иметь канальное устройство для направления и выпуска соответствующих газовых потоков в две соответствующие камеры и из них.

Кроме того, как указано выше, система 1000 снижения утечки включает в себя разделительное устройство 300, которое расположено поперечно канальному устройству 200 второй входной камеры 112а. В одном варианте осуществления разделительное устройство 300 может представлять собой разделительную пластину, расположенную вдоль участка канального устройства 200, разделяя его на первичные и вторичные входы 210 и 220 вдоль второй входной камеры 112а.

Как указано выше, утечка вокруг радиальных и осевых областей теплообменника 100 может быть предотвращена посредством радиальных и осевых уплотнений или мембранных пластин в зависимости от типа подогревателя воздуха, однако утечка в потоке вокруг области роторной колонны 104 является неизбежной. Поэтому в энергетических установках с подводом кислорода, где выделение кислорода для сжигания является довольно важным процессом, любая потеря кислорода из-за такой утечки в потоке также может увеличивать его стоимость. Таким образом, разделительное устройство 300 обеспечивает два отдельных входа, при этом первичный вход 210 приспособлен для сквозного пропускания рециркулируемого топочного газа 10, обогащенного кислородом. Кроме того, вторичный вход 220 выполнен смежно к первичному входу 210 для сквозного пропускания потока рециркулируемого топочного газа, не обогащенного кислородом. Такое устройство по существу предотвращает смешивание рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, с потоком топочного газа, тем самым снижая утечку обогащенного кислородом рециркулируемого топочного газа, а также предотвращает смешивание кислорода с потоком топочного газа.

Кроме того, в одном варианте осуществления система 1000 снижения утечки дополнительно содержит систему продувки (не показана), смонтированную в непосредственной близости от роторной колонны 104 для пропускания через нее рециркулируемого топочного газа.

Альтернированные конструкции теплообменника 100 с разделительным устройством 300 представлены на фиг. 2А и 2В, а также на фиг. 3А и 3В, и могут быть изучены со ссылкой на фиг. 1, как описано выше в данном документе. Для краткости пояснения по ним здесь были опущены.

Обратившись теперь к фиг. 4, видим, что блок-схема способа 500 снижения утечки при эксплуатации энергетической установки проиллюстрирована в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ 500 ограничен вышеописанной системой 1000 снижения утечки с фиг. 1 и будет здесь описан в сочетании с ней. Для краткости в данном документе отсутствует повторение объяснения компонентов системы 1000.

Способ 500 начинается с этапа 510. На этапе 520 задействован теплообменник 100. Как описано выше, канальное устройство 200 соединено с теплообменником 100 второй входной камерой 112а. Кроме того, как описано, разделительное устройство 300 встроено в канальное устройство 200, разделяя канальное устройство 200 на первичные и вторичные входы 210 и 220 для пропускания через них рециркулируемого топочного газа и рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом. В частности, на этапе 530 рециркулируемый топочный газ, обогащенный кислородом, пропускают через первичный вход 210, а на этапе 540 рециркулируемый топочный газ, не обогащенный кислородом, пропускают через вторичный вход 220, по существу, предотвращая смешивание рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, с потоком топочного газа, тем самым снижая смешивание кислорода с потоком топочного газа. Способ 500 заканчивается на этапе 550.

Система снижения утечки представляется предпочтительной в различных областях. Система снижения утечки существенно снижает и/или эффективно минимизирует утечку кислорода в регенеративном теплообменнике. Этот признак особенно полезен в энергетической установке с подводом кислорода для ограничения потока кислорода в направлении топочного газа, выходящего из печи, на уровне существенно менее 1%. Кроме того, снижение утечки является пассивной системой снижения, которая отводит поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, от первичного входа, и подает поток рециркулируемого топочного газа, не обогащенного кислородом, из вторичного входа, что не требует использования нагнетательных вентиляторов. Тем не менее, в случае необходимости эта система открыта для включения дополнительных вентиляторов регулирования давления с низким энергопотреблением для такого регулирования расхода газа. Настоящее изобретение особенно предпочтительно для энергетической установки с подводом кислорода с точки зрения блокирования подачи кислорода в пределах и вокруг области вдоль теплообменника, например воздухоподогревателя, где утечка кислорода неизбежна.

Вышеуказанные описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения представлены в иллюстративных и описательных целях. Они не призваны быть исчерпывающими или ограничивать настоящее изобретение точными раскрытыми формами, и, очевидно, в свете вышеприведенной концепции возможны многие модификации и вариации. Варианты осуществления были выбраны и описаны для наилучшего объяснения принципов настоящего изобретения и его практического применения, чтобы тем самым дать возможность другим специалистам в данной области техники наилучшим образом использовать настоящее изобретение и различные варианты осуществления с различными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого использования. Понятно, что могут быть рассмотрены различные замены и исключение эквивалентов в силу того, что может быть предложено или оказаться целесообразным в определенных обстоятельствах, но все они призваны охватить варианты применения или осуществления в пределах сущности или объема формулы настоящего изобретения.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1000 Система снижения утечки

100 Регенерационный теплообменник; теплообменник

102 Роторный узел

104 Роторная колонна; область роторной колонны

106 Теплообменный элемент

108 Корпус

110а, 110b Первые входная и выходная камеры

112a, 112b Вторые входная и выходная камеры

200 Канальное устройство

210, 220 Первичные и вторичные входы

300 Разделительное устройство

500 Способ

510-550 Этапы способа

«А» Указания стрелки на направление потока топочного газа

«B» Указания стрелки на направление потока рециркулируемого топочного газа

Система 1000 снижения утечки включает в себя теплообменник 100, канальное устройство 200 и разделительное устройство 300. Теплообменник 100 включает в себя роторный узел 102, установленный на роторной колонне 104 с возможностью вращения. Теплообменник 100 дополнительно включает в себя вторую входную камеру 112a, под которую сконфигурировано канальное устройство 200. Кроме того, разделительное устройство 300 встроено в канальное устройство 200, разделяя его на первичные и вторичные входы 210 и 220. Через первичный вход 210 пропускают топочный газ, обогащенный кислородом, а через вторичный вход 220 обеспечивается пропускание потока рециркулируемого топочного газа, что, по существу, отделяет поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, от потока топочного газа во избежание смешивания с потоком топочного газа, что снижает его утечку. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система 1000 снижения утечки при эксплуатации энергетической установки, при этом система 1000 снижения утечки содержит регенеративный теплообменник 100, содержащий
роторный узел 102, установленный на роторную колонну 104 с возможностью вращения, причем роторный узел 102 имеет теплообменный элемент 106, и
корпус 108, выполненный с возможностью приема роторного узла 102 в себя, причем корпус 108 имеет первые входную и выходную камеры 110а, 110b для пропускания потока топочного газа, а также вторые входную и выходную камеры 112a, 112b;
канальное устройство 200, сконфигурированное для второй входной камеры 112а, и разделительное устройство 300, расположенное поперек канального устройства 200 второй входной камеры 112а для конфигурирования,
первичный вход 210 для пропускания через себя рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, и
вторичный вход 220, смежный с первичным входом 210, для пропускания через себя рециркулируемого топочного газа, сохраняя поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, по существу от смешивания с потоком топочного газа, тем самым снижая его утечку.

2. Система 1000 снижения утечки по п. 1, в которой разделительное устройство 300 содержит разделительную пластину, расположенную вдоль и поперек канального устройства 200.

3. Система 1000 снижения утечки по п. 1, в которой поток рециркулируемого топочного газа изокинетически подается в канальное устройство 200.

4. Система 1000 снижения утечки по п. 1, в которой первые входная и выходная камеры 110a, 110b и вторые входная и выходная камеры 112а, 112b разделены поперечно диаметру роторного узла 102.

5. Система 1000 снижения утечки по п. 1, дополнительно содержащая систему продувки, смонтированную вблизи роторной колонны 104 для пропускания рециркулируемого топочного газа с целью снижения его утечки.

6. Способ 500 для снижения утечки при эксплуатации энергетической установки, при этом способ 500 содержит:
обеспечение регенеративного теплообменника 100, причем регенеративный теплообменник 100 имеет
роторный узел 102, установленный на роторную колонну 104 с возможностью вращения, причем роторный узел 102 имеет теплообменный элемент 106, и
корпус 108, выполненный с возможностью приема роторного узла 102 в себя, при этом корпус 108 имеет первые входную и выходную камеры 110а, 110b для пропускания потока топочного газа, а также вторые входную и выходную камеры 112a, 112b; причем вторая входная камера 112а содержит канальное устройство 200, имеющее разделительное устройство 300, расположенное там поперек для конфигурирования первичных и вторичных входов 210 и 220;
пропускание потока рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, через первичный вход 210, и
пропускание потока рециркулируемого топочного газа через вторичный вход 220, сохраняя поток рециркулируемого топочного газа, обогащенного кислородом, по существу от смешивания с потоком топочного газа, тем самым снижая его утечку.

7. Способ 500 для снижения утечки по п. 6, дополнительно содержащий систему продувки, смонтированную вблизи роторной колонны 104 для пропускания потока рециркулируемого газа с целью снижения его утечки.

8. Способ 500 для снижения утечки по п. 6, в котором пропускание вторичного потока топочного газа содержит изокинетическую его подачу в канальное устройство 200.