ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПРОДУВКИ ОСТАТОЧНЫХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ИЗ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2016 года по МПК F01K23/10 F01K25/10 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение, описанное в данном документе, относится к теплоутилизационным системам, в которых применяют котлы, а более конкретно, к системам продувки котлов-утилизаторов инертным газом.

Теплоутилизационные системы можно использовать для рекуперации тепла низкого потенциала, например тепла, температура которого ниже примерно 500°С, получаемого в результате производственных и промышленных процессов и операций. Например, теплоутилизационные системы могут быть использованы для рекуперации тепла низкого потенциала от горячих выхлопных газов, производимых газовыми турбинами. При рекуперации тепла низкого потенциала могут быть особенно эффективны теплоутилизационные системы, которые работают по органическому циклу Ренкина (ОЦР) с циркуляцией органической рабочей текучей среды, что обусловлено сравнительно низкими энтальпиями фазовых переходов органических текучих сред.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В первом варианте выполнения система содержит клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве. Кроме того, система содержит устройство продувки инертным газом, выполненное с возможностью введения инертного газа во внутреннее пространство с обеспечением удаления из него остаточного выхлопного газа.

Во втором варианте выполнения система содержит котел-утилизатор, выполненный с возможностью поглощения тепла непосредственно из выхлопного газа, протекающего внутри выхлопной секции двигателя, для нагрева органической рабочей текучей среды, протекающей в котле-утилизаторе, детандер, выполненный с возможностью расширения нагретой органической рабочей текучей среды, конденсатор, выполненный с возможностью конденсации расширенной органической рабочей текучей среды, насос, выполненный с возможностью направления конденсированной органической рабочей текучей среды в котел-утилизатор, датчик, выполненный с возможностью обнаружения протечки органической рабочей текучей среды из котла-утилизатора, и устройство продувки инертным газом, выполненное с возможностью введения инертного газа в выхлопную секцию при обнаружении протечки.

В третьем варианте выполнения способ включает обнаружение протечки органической рабочей текучей среды из котла-утилизатора во внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, установку клапана в байпасное положение для направления входящего выхлопного газа в обход внутреннего пространства выхлопной секции, выполняемую при обнаружении протечки, и введение инертного газа во внутреннее пространство для удаления остаточного выхлопного газа из указанного пространства, выполняемое при обнаружении протечки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные и другие признаки, аспекты и преимущества изобретения станут более понятными после прочтения приведенного ниже подробного описания, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми номерами позиций отмечены одинаковые элементы и на которых:

фиг.1 представляет собой блок-схему варианта выполнения системы генерации электроэнергии, в которой может быть применено устройство продувки инертным газом, входящее в теплоутилизационную систему;

фиг.2 представляет собой блок-схему теплоутилизационной системы, изображенной на фиг.1, иллюстрирующую вариант выполнения устройства продувки инертным газом;

фиг.3 представляет собой блок-схему теплоутилизационной системы, изображенной на фиг.2, работающей в байпасном режиме;

фиг.4 представляет собой структурную схему варианта выполнения способа удаления выхлопного газа из котла-утилизатора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описаны один или несколько конкретных вариантов выполнения настоящего изобретения. Для краткости изложения указанных вариантов выполнения в данном документе могут быть описаны не все особенности их фактической реализации. Следует отметить, что при разработке любой такой конкретной реализации, например в каком-либо инженерном или конструкторском проекте, нужно принять множество решений, касающихся конкретной реализации и обеспечивающих решение конкретных задач, поставленных разработчиками, например, соответствия системным и производственным ограничениям, и эти решения могут меняться от одной реализации к другой. Более того, следует отметить, что данные опытно-конструкторские разработки могут быть сложными и длительными, но, тем не менее будут обычной задачей конструирования, изготовления и промышленного производства для специалистов в данной области техники, использующих данное изобретение.

При описании различных вариантов выполнения настоящего изобретения использование существительного в единственном числе и прилагательное «указанный», стоящее перед словами, обозначают наличие одного или нескольких элементов. Слова «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят инклюзивный характер и означают, что помимо перечисляемых элементов могут существовать и другие элементы.

Данное описание относится к теплоутилизационным системам, в которых применяют устройства продувки котлов-утилизаторов инертным газом. Теплоутилизационные системы могут утилизировать тепло низкого потенциала от системы, например газовой турбины, путем реализации органического цикла Ренкина (ОЦР) с использованием органической рабочей текучей среды, например, углеводородной текучей среды или хладагента. Вместо передачи тепла к органической рабочей текучей среде с помощью промежуточной текучей среды, например масла, в данных системах можно использовать котел-утилизатор «прямого действия», который передает тепло непосредственно от выхлопного газа газовой турбины к рабочей текучей среде. Согласно некоторым вариантам выполнения котел-утилизатор, в котором происходит циркуляция рабочей текучей среды, может быть расположен непосредственно в тракте выпускного газа внутри выхлопной секции газовой турбины. Размещая котел-утилизатор непосредственно в тракте выпускного газа, вместо использования вторичного контура для передачи тепла между выхлопным газом и теплоутилизационной системой, можно повысить общую эффективность теплоутилизационной системы, а также уменьшить капитальные и/или эксплуатационные затраты.

Для защиты выхлопной секции газовой турбины и теплоутилизационной системы в случае протечки в котле-утилизаторе в системе генерации электроэнергии можно использовать устройство продувки котла-утилизатора. Согласно некоторым вариантам выполнения устройство продувки может быть приведено в действие при обнаружении протечки в котле-утилизаторе.

Устройство продувки может перенаправлять поток выхлопных газов в обход котла-утилизатора. Более того, устройство продувки может вводить инертный газ в трубопровод выхлопного газа с целью удаления остаточных выхлопных газов из выхлопного трубопровода. Также инертный газ может охлаждать котел-утилизатор и разбавлять любую текучую среду протечки, тем самым, гася и/или предотвращая воспламенения внутри выхлопного трубопровода.

На фиг.1 изображен вариант выполнения системы 10 генерации электроэнергии, в которой может применяться устройство продувки котла-утилизатора. Система 10 содержит двигатель, например газотурбинный двигатель 12, производящий сбросное тепло, которое может быть рекуперировано теплоутилизационной системой 16. Понятно, что газотурбинный двигатель 12 приведен в качестве примера двигателя, который производит сбросное тепло, и не является ограничивающим изобретение. В других вариантах выполнения теплоутилизационную систему, описанную в данном документе, можно применять для рекуперации тепла, полученного от другого типа двигателей, производящих сбросное тепло. Например, в других вариантах выполнения теплоутилизационная система 16 может рекуперировать тепло от поршневого двигателя или другого соответствующего двигателя, производящего сбросное тепло.

Как показано на фиг.1, в газотурбинном двигателе 12 происходит сжигание топлива (например, жидкого или газового топлива) для привода первой нагрузки 14. Кроме того, система 10 генерации электроэнергии содержит теплоутилизационную систему 16, которая рекуперирует тепло низкого потенциала, полученное от газовой турбины, для привода второй нагрузки 18. Согласно некоторым вариантам выполнения первая нагрузка 14 и вторая нагрузка 18 могут представлять собой электрогенераторы, предназначенные для выработки электроэнергии. Тем не менее, в других вариантах выполнения типы нагрузок, приводимых в действие системой 10 генерации электроэнергии, могут меняться.

Газотурбинный двигатель 12 содержит воздухозаборную секцию 20, компрессор 22, секцию 24 камеры сгорания, турбину 26 и выхлопную секцию 28. Турбина 26 соединена с компрессором 22 с помощью вала 30. Воздух 32 может поступать в газотурбинный двигатель 12 через воздухозаборную секцию 20 и протекать в компрессор 22, в котором воздух может быть сжат для получения сжатого воздуха 34 для секции 24 камеры сгорания. Внутри секции 24 камеры сгорания сжатый воздух 34 может смешиваться с топливом в таком соотношении, которое облегчает сгорание топлива с целью образования газообразных продуктов 36 сгорания. Согласно некоторым вариантам выполнения секция 24 камеры сгорания может содержать несколько камер сгорания, расположенных кольцеобразно вокруг вала 30.

Из секции 24 камеры сгорания горячие газообразные продукты 36 сгорания могут протекать через турбину 26 для привода компрессора 22 и/или первой нагрузки 14 с помощью вала 30. Например, газообразные продукты 36 сгорания могут прикладывать движущую силу на лопатки ротора турбины внутри турбины 26 для вращения вала 30. После протекания через турбину 26 горячие газообразные продукты сгорания могут выходить из газотурбинного двигателя 12 в виде выхлопных газов 38, которые протекают через выхлопную секцию 28, покидая газотурбинный двигатель 12.

По мере протекания выхлопных газов 38 через выхлопную секцию 28 указанные газы могут проходить через котел-утилизатор 40, который может забирать от них тепло, образуя охлажденные выхлопные газы 42. Котел-утилизатор 40 расположен непосредственно на пути прохождения выхлопных газов 38, так что указанные газы могут передавать тепло непосредственно к рабочей текучей среде, протекающей через котел-утилизатор 40. Затем охлажденные выхлопные газы 42 могут выходить из выхлопной секции 28 и направляться через воздуховод 43 в вытяжное устройство 44, откуда они могут быть выпущены в атмосферу.

Как описано далее со ссылкой на фиг.2, выхлопная секция 28 также может содержать перепускной контур 46, который обеспечивает выпуск выхлопных газов 38 из выхлопной секции 28 в обход котла-утилизатора 40. Перепускной контур 46 может использоваться для удаления выхлопных газов 38 из выхлопной секции 28, если в котле-утилизаторе 40 имеется протечка, которая может привести к попаданию горючей органической текучей среды из котла-утилизатора 40 в выхлопные газы 38. При установлении байпасного режима выхлопные газы 38 могут быть направлены по перепускному контуру 46 для выхода из выхлопной секции 28 в виде байпасных выхлопных газов 48, которые были пущены в обход котла-утилизатора 40. Байпасные выхлопные газы 48 могут быть направлены в вытяжное устройство 44, откуда они могут быть выпущены в атмосферу. Как показано, байпасные выхлопные газы 48 и охлажденные выхлопные газы 42 могут быть направлены в одно и то же вытяжное устройство 44. Однако в других вариантах выполнения байпасные выхлопные газы 48 и охлажденные выхлопные газы 42 могут быть направлены в разные вытяжные устройства.

По мере протекания выхлопных газов 38 через котел-утилизатор 40, расположенный на пути следования выхлопного газа в выхлопной секции 28, горячие выхлоппные газы 38 могут передавать тепло рабочей текучей среде, протекающей через котел-утилизатор 40 в пределах контура 50 рабочей текучей среды. Согласно некоторым вариантам выполнения котел-утилизатор 40 может представлять собой теплообменник из оребренных труб, который обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды внутри контура 50 рабочей текучей среды непосредственно на пути следования выхлопных газов 38. Следовательно, выхлопные газы 38 могут передавать тепло непосредственно к рабочей текучей среде, циркулирующей внутри теплоутилизационной системы 16, а не через промежуточный контур, например масляный.

Согласно некоторым вариантам выполнения теплоутилизационная система 16 может обеспечивать циркуляцию органической рабочей текучей среды внутри контура 50 рабочей текучей среды с целью рекуперации сбросного тепла из выхлопных газов 38. Можно применять любую подходящую органическую текучую среду, такую как углеводородная текучая среда или хладагент. Использование органической текучей среды может особенно хорошо подходить для контура 50 регенерации сбросного тепла, что обусловлено сравнительно низкой энтальпией фазового перехода органической текучей среды. Согласно некоторым вариантам выполнения органическая текучая среда может представлять собой органическую, высокомолекулярную текучую среду, которая имеет более высокое давление насыщенного пара и более низкую критическую температуру по сравнению с водой.

Рабочая текучая среда по мере ее протекания через котел-утилизатор 40 может поглощать тепло из выхлопных газов 38, приводя к тому, что вся или существенная часть рабочей текучей среды переходит из жидкой фазы в паровую фазу. Далее нагретая рабочая текучая среда может протекать в детандер-генераторную установку 52, где может подвергаться расширению для привода нагрузки 18. Например, детандер-генераторная установка 52 может содержать детандер, который может быть соединен с генератором для выработки электроэнергии в результате расширения нагретой рабочей текучей среды. Из установки 52 рабочая текучая среда может протекать в конденсатор 54, в котором может подвергаться конденсации. Согласно некоторым вариантам выполнения конденсатор 54 может представлять собой теплообменник с воздушным охлаждением. Тем не менее, в других вариантах выполнения можно применять любой подходящий тип конденсатора.

Затем конденсированная рабочая текучая среда может протекать через насос 58, который возвращает ее в котел-утилизатор 40, в котором процесс может повторяться снова. В других вариантах выполнения система 16 может содержать дополнительное оборудование, такое как клапаны, датчики или измерительные преобразователи температуры и/или давления, приемные устройства и т.п. Например, в некоторых вариантах выполнения перед котлом-утилизатором 40 может быть установлен рекуператор или устройство для предварительного подогрева, предназначенное для предварительного нагрева рабочей текучей среды перед тем, как она поступит в котел-утилизатор 40. Более того, система 16 может быть установлена как часть новой системы 10 генерации электроэнергии и/или может быть доработана для действующей системы 10 генерации электроэнергии. Например, в некоторых вариантах выполнения действующая газовая турбина 12 может быть модифицирована теплоутилизационной системой 16, содержащей котел-утилизатор 40 в выхлопной секции 28.

Как изображено на фиг.1, котел-утилизатор 40 расположен в выхлопной секции 28, непосредственно на пути следования горячего выхлопного газа 38. Прямая передача тепла от выхлопного газа к системе 16 может увеличивать общую эффективность указанной системы по сравнению с системой, в которой применяют промежуточный контур для опосредованной передачи тепла выхлопного газа к теплоутилизационой системе. Кроме того, отсутствие вторичного контура может уменьшить капитальные и/или эксплуатационные затраты. Тем не менее, вследствие потенциальной воспламеняемости органической текучей среды было бы желательным отводить выхлопные газы 38 из выхлопной секции 28 во время остановки системы и/или в случае протечки в котле-утилизаторе 40, при которой возможно вытекание рабочей текучей среды из котла-утилизатора в выхлопную секцию 28. С учетом этого на фиг.2 и фиг.3 изображено устройство продувки инертным газом, которое может быть применено для удаления выхлопных газов 38 из выхлопной секции 28 и/или для уменьшения их концентрации.

Как изображено на фиг.2, выхлопные газы 38 могут протекать через отверстие 58, поступая во внутреннее пространство 60 выхлопной секции 28, как в целом обозначено стрелками 61. Котел-утилизатор 40 может быть расположен во внутреннем пространстве 60 на пути следования выхлопных газов 38. Котел-утилизатор 40 содержит оребренные трубы 62, по которым циркулирует рабочая текучая среда. Согласно некоторым вариантам выполнения оребренные трубы 62 могут быть расположены по существу перпендикулярно потоку выхлопных газов 38, проходящему через внутреннее пространство 60, обеспечивая надлежащую передачу тепла от выхлопных газов 38 к рабочей текучей среде, циркулирующей внутри оребренных труб 62.

После того, как выхлопные газы 38 пройдут через котел-утилизатор 40, охлажденные выхлопные газы 42 смогут покинуть выхлопную секцию 28 и поступить в вытяжное устройство 44 через впуск 63. Как описано выше, вследствие того, что рабочая текучая среда, циркулирующая внутри оребренных труб 62, может быть потенциально воспламеняемой, было бы желательным отвести выхлопные газы 38 из внутреннего пространства 60 в случае возникновения протечки в оребренных трубах 62. Следовательно, в случае протечки вместо направления выхлопных газов 38 через отверстие 58 во внутреннее пространство 60 указанные газы могут быть направлены через отверстие 64 для протекания по перепускному контуру 46, как в целом изображено стрелками 65 на фиг.3.

Для перенаправления потока выхлопных газов 38 по перепускному контуру 46 можно применить систему из одного или более клапанов 66, которые выполнены с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, как показано на фиг.2, и байпасным положением, как показано на фиг.3. Клапаны 66 могут представлять собой любой тип устройств направления, переключения и/или дросселирования потока, которые могут быть переключены между положениями, при которых обеспечивается протекание потока при одном положении клапана и запирание потока при другом положении клапана. Согласно некоторым вариантам выполнения клапаны 66 могут представлять собой заслонки или задвижки; однако в других вариантах выполнения можно применять клапаны любого подходящего типа.

В положении рекуперации сбросного тепла клапан 66 может быть установлен в положение, обеспечивающее направление выхлопных газов 38 во внутреннее пространство 60, как изображено на фиг.2. В байпасном положении клапан 66 может быть установлен в положение, обеспечивающее направление газов 38 по перепускному контуру 46, как изображено на фиг.3. Хотя на фиг.2 и фиг.3 клапан 66 изображен в виде единой заслонки, в других вариантах выполнения можно применить устройство, состоящее из двух или более заслонок и/или задвижек, предназначенных для переключения потока выхлопных газов между пространством 60 и перепускным контуром 46.

В режиме рекуперации сбросного тепла, изображенном на фиг.2, клапан 66 установлен в положение, при котором перекрыто отверстие 64, что обеспечивает протекание выхлопных газов 38 через отверстие 58 во внутреннее пространство 60, где указанные газы могут протекать через котел-утилизатор 40. Внутри впускного отверстия 63 может быть открыта заслонка 69, обеспечивающая протекание выхлопных газов из внутреннего пространства 60 в вытяжное устройство 44 через впускное отверстие 63. Более того, внутри перепускного контура 46 может быть закрыта заслонка 71, что препятствует протеканию выхлопных газов из вытяжного устройства 44 в перепускной контур 46. Заслонки 69 и 71 могут быть установлены в воздуховоде 43, во впускных отверстиях 63 и 67 вытяжного устройства или в перепускном контуре 46 и выхлопной секции 28. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения заслонки 69 и 71 можно не применять.

В байпасном режиме, как изображено на фиг.3, клапан 66 может быть установлен в положение, при котором перекрыто отверстие 58, что обеспечивает протекание выхлопных газов 38 через отверстие 64 в перепускной контур 46. Следовательно, в байпасном режиме выхлопные газы 38 могут идти в обход котла-утилизатора 40 за счет протекания по перепускному контуру 48 и в вытяжное устройство 44 через впускное отверстие 67. В байпасном режиме заслонка 71 может быть открыта, обеспечивая протекание выхлопных газов из перепускного контура 46 в вытяжное устройство 44 через впускное отверстие 67. Более того, заслонка 69 может быть закрыта, препятствуя прохождению выхлопных газов из вытяжного устройства 44 во внутреннее пространство 60 через впускное отверстие 63.

Перепускной контур 46 может быть задействован при обнаружении протечки в оребренных трубах 62 котла-утилизатора 40. В этой связи для обнаружения протечки в оребренных трубах 62 может быть использован один или более датчиков 68. Например, в тех вариантах выполнения, в которых рабочая текучая среда представляет собой углеводородную текучую среду, датчик 68 может измерять уровень содержания углеводородов в выхлопном газе, выходящем из внутреннего пространства 60. Повышенный уровень углеводородов может указывать на протечку внутри оребренных труб 62. В другом примере датчик 68 может быть предназначен для обнаружения наличия пламени в котле-утилизаторе 40 или около него, например, путем измерения ультрафиолетового излучения. Наличие пламени может указывать на протечку внутри оребренных труб 62. В еще одном варианте выполнения можно применить более одного датчика 68, например датчики измерения углеводорода, датчики обнаружения пламени, или их комбинация. Также в других вариантах выполнения датчик 68 может быть выполнен с возможностью измерения других параметров, указывающих на состав выхлопных газов 38. Согласно некоторым вариантам выполнения датчик 68 может быть установлен на впуске 63 в вытяжное устройство 44. Тем не менее, в других вариантах выполнения датчик 68 может быть установлен во внутреннем пространстве 60.

Датчик 68 может быть подключен с возможностью коммуникации к контроллеру 70, который может быть использован для изменения положения клапана 66. Например, контроллер 70 может принимать входные сигналы, например, уровень углеводородов, от датчика 68, которые указывают на наличие протечки в оребренных трубах 62. В ответ на получение такого входного сигнала контроллер 70 может посылать сигнал управления к клапану 66, чтобы переместить его в положение, при котором закрыто отверстие 58, как изображено на фиг.3, тем самым, направляя выхлопные газы 38 через отверстие 64 и в перепускной контур 46. Согласно некоторым вариантам выполнения контроллер 70 может содержать аналогово-цифровой преобразователь (A/D), микропроцессор, энергонезависимое запоминающее устройство и интерфейсную плату и другие компоненты. Однако в других вариантах выполнения клапан 66 можно регулировать механическим способом и/или вручную, а не контроллером 70. Например, в некоторых вариантах выполнения контроллер 70 может создавать выходные сигналы, например аварийный сигнал, который указывает на то, что клапан 66 должен быть переключен, например, оператором, для закрытия отверстия 58.

Кроме того, контроллер 70 может управлять работой системы 72 введения инертного газа, которая может применяться для продувки остаточных выхлопных газов 38 из внутреннего пространства 60, после того, как клапан 66 был установлен в байпасное положение. Система 72 может содержать источник 74 инертного газа, например, один или более баллонов со сжатым газом, который обеспечивает подачу инертных газов в систему 72. Применяемое в данном документе выражение «инертные газы» подразумевает любой газ или смесь газов, способных подавлять горение, предотвращать взрыв или гасить пламя, главным образом, за счет разбавления концентрации и/или замещения кислорода в выхлопном газе. Согласно некоторым вариантам выполнения инертные газы могут представлять собой азот и/или углекислый газ.

Для направления инертных газов из источника 74 инертного газа во внутреннее пространство 60 может быть использован трубопровод 76. Внутри трубопровода 76 может быть установлен клапан 78, регулирующий поток инертных газов, протекающих из баллона 74 во внутреннее пространство 60. Например, клапан 78 может быть закрыт, если система работает в режиме рекуперации сбросного тепла, для предотвращения поступления инертных газов в пространство 60, и может быть открыт, обеспечивая поступление указанных газов в пространство 60, когда система работает в байпасном режиме. Более того, в некоторых вариантах выполнения клапан 78 может быть использован для увеличения и уменьшения скорости потока инертных газов, протекающих во внутреннее пространство 60. Хотя на фиг.2 и фиг.3 изображен только один клапан 78, в других вариантах выполнения в трубопроводе 76 может быть установлена система из клапанов 78.

Контроллер 70 может управлять работой системы 72 введения инертного газа с помощью клапана 78. Согласно некоторым вариантам выполнения контроллер 70 может открывать клапан 78 при обнаружении протечки, обеспечивая прохождение инертных газов во внутреннее пространство 60. Инертные газы могут поступать во внутреннее пространство через одну или более форсунок 79, которые могут вводить инертные газы в указанное пространство 60 из трубопровода 76. Согласно некоторым вариантам выполнения форсунки 79 могут обеспечить введение инертных газов во внутреннее пространство 60 при сравнительно высокой скорости потока. Более того, форсунки 79 могут быть расположены вдоль верхней, нижней и/или боковых сторон внутреннего пространства 60, а также вокруг области впуска выхлопного газа в указанное пространство.

По мере поступления инертных газов во внутреннее пространство 60 они могут вытеснять выхлопные газы 38, оставшиеся внутри указанного пространства, вытесняя их из внутреннего пространства 60 и обеспечивая их поступление в вытяжное устройство 44 через впускное отверстие 63. Следовательно, при включении байпасного режима заслонка 69 может оставаться открытой в течение определенного периода времени, обеспечивая выход остаточных выхлопных газов из внутреннего пространства 60 через впускное отверстие 63. После удаления остаточных выхлопных газов из внутреннего пространства 60 заслонку 69 можно закрыть, как изображено на фиг.3, что препятствует прохождению выхлопных газов из вытяжного устройства 44 во внутреннее пространство 60 через впускное отверстие 63. Также инертные газы могут охлаждать оребренные трубы 62 и внутреннее пространство 60, тем самым, уменьшая давление и температуру внутри указанного пространства. Более того, инертные газы могут разбавлять кислородные и углеводородные пары, находящиеся во внутреннем пространстве 60, тем самым гася любые языки пламени, которые могут присутствовать в указанном пространстве, и/или препятствуя возгоранию и/или взрыву внутри выхлопной секции 28.

После открытия клапана 78 с целью обеспечения поступления инертных газов во внутреннее пространство 60 контроллер 70 может остановить работу насоса 58, обеспечивающего циркуляцию рабочей текучей среды в котле-утилизаторе 40. После остановки насоса 58 рабочая текучая среда может испаряться из котла-утилизатора 40 и накапливаться внутри контура 50 рабочей текучей среды. Следовательно, можно приостановить протечку дополнительной рабочей текучей среды во внутреннее пространство 60 через котел-утилизатор 40.

На фиг.3 изображена выхлопная секция 28 при работе системы в байпасном режиме для направления выхлопных газов 38 через перепускной контур 46. Как изображено на фиг.3, клапан 66 находится в положении, при котором закрыто отверстие 58, для закрытия отверстия 58 и обеспечения протекания выхлопных газов 38 через отверстие 64 перепускного контура 46. Соответственно, входящие выхлопные газы 38 будут направлены в перепускной контур 46, а не во внутреннее пространство 60, в котором расположен котел-утилизатор 40. Как изображено на фиг.2 и фиг.3, для закрытия отверстия 58 и обеспечения протекания потока через отверстие 64 можно использовать один клапан 66. Однако в других вариантах выполнения можно применить систему из клапанов 66, например, заслонки или задвижки и другие компоненты, для переключения системы между режимом рекуперации сбросного тепла, в котором выхлопные газы поступают во внутреннее пространство 60, и байпасным режимом, в котором выхлопные газы поступают в перепускной контур 46.

На фиг.4 изображена структурная схема способа 82, который может быть применен для продувки выхлопных газов 38 из внутреннего пространства 60. Исполнение способа 82 может начинаться с обнаружения (блок 84) протечки в котле-утилизаторе 40. Например, как изображено на фиг.2, датчик 68 может обнаружить повышенные уровни содержания углеводородов и/или наличие пламени. Датчик 68 может подать сигнал, показывающий уровень содержания углеводородов, в контролер 70 (фиг.2). Далее контроллер 70 может сравнить данный уровень с заданным пороговым значением или темпом его изменения, с целью определения протечки. В других вариантах выполнения датчик 68 может обнаруживать протечку и может передать в контроллер 70 управляющий входной сигнал, указывающий на протечку.

В ответ на обнаружение протечки контроллер 70 может установить (блок 86) клапан в байпасное положение. Например, как изображено на фиг.3, контроллер 70 может переключить клапан, закрывая отверстие 58 и направляя выхлопные газы 38 в перепускной контур 46 через отверстие 64. В другом варианте выполнения можно применить две или более заслонки, и в указанных вариантах выполнения контроллер 70 может переместить одну заслонку и закрыть отверстие 58, а может переместить другую заслонку и открыть отверстие 64.

Затем после установки клапана 66 в байпасное положение контроллер 70 может обеспечить введение (блок 88) инертного газа во внутреннее пространство 60. Например, контроллер 70 может активировать систему продувки инертным газом путем открытия клапана 78, обеспечивая протекание инертных газов во внутреннее пространство 60 через форсунки 79. Затем инертные газы могут выдуть остаточные выхлопные газы 38 из внутреннего пространства 60, вытесняя их из указанного пространства в вытяжное устройство 44 через впускное отверстие 63. Как уже отмечалось выше применительно к фиг.2, инертные газы также могут снижать температуру во внутреннем пространстве 60, тем самым, уменьшая возникновение пламени и/или гася любые языки пламени, которые могут возникнуть во внутреннем пространстве 60. Кроме того, контроллер 70 может останавливать (блок 90) работу насоса 56 (фиг.1), который обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды через котел-утилизатор 40. Остановка насоса может предотвращать поступление дополнительной рабочей текучей среды во внутреннее пространство 60 через котел-утилизатор 40.

После продувки выхлопных газов 38 из внутреннего пространства 60 можно провести ремонтные работы по устранению протечек внутри котла-утилизатора 40. Например, можно починить или заменить оребренные трубы 62. После завершения ремонтных работ клапан 66 можно оставить в положении рекуперации сбросного тепла, как изображено на фиг.2, что вновь обеспечит поступление входящих выхлопных газов 38 во внутреннее пространство 60.

Данное изобретение раскрыто на примерах, включающих наиболее предпочтительные варианты, а также позволяющих любым специалистам в данной области техники реализовать изобретение на практике, включая создание и применение любых устройств или систем и использование любых предусмотренных способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие варианты, которые возникнут у специалистов в данной области техники. Данные другие варианты не выходят за рамки объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от точной формулировки формулы изобретения, или если в их состав входят эквивалентные конструктивные элементы, имеющие несущественные отличия от точных формулировок формулы изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

10 система

12 газотурбинный двигатель

14 первая нагрузка

16 теплоутилизационная система

18 вторая нагрузка

20 воздухозаборная секция

22 компрессор

24 секция камеры сгорания

26 турбина

28 выхлопная секция

30 вал

32 воздух

34 сжатый воздух

36 газообразные продукты сгорания

38 выхлопные газы

40 котел-утилизатор

42 охлажденные выхлопные газы

43 воздуховод

44 вытяжное устройство

46 перепускной контур

48 выхлопные газы перепускного контура

50 контур рабочей текучей среды

52 детандер-генераторная установка

54 конденсатор

56 насос

58 отверстие

60 внутреннее пространство

61 стрелки

62 оребренные трубы

64 отверстие

65 стрелки

66 клапан

67 впуск

68 датчик

69 заслонка

70 контроллер

72 устройство введения инертного газа /продувки инертным газом

74 источник подачи инертного газа

76 труба

78 клапан

79 форсунки

80 внутреннее пространство

82 способ

84 блок

86 блок

88 блок

Изобретение относится к энергетике. Теплоутилизационная система содержит клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве. Кроме того, система содержит устройство продувки инертным газом, выполненное с возможностью введения инертного газа в указанное внутреннее пространство, с обеспечением удаления остаточного выхлопного газа из указанного пространства. Также представлены вариант выполнения теплоутилизационной системы и способ продувки остаточных выхлопных газов из теплоутилизационной системы. Изобретение позволяет повысить эффективность теплоутилизационной системы, а также позволяет гасить и предотвращать воспламенение внутри выхлопного трубопровода. 3 н.и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплоутилизационная система, содержащая:
клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру с обеспечением обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве, и
устройство продувки инертным газом, выполненное с возможностью введения инертного газа в указанное внутреннее пространство с обеспечением удаления из него остаточного выхлопного газа.

2. Теплоутилизационная система по п. 1, в которой устройство продувки инертным газом содержит клапанную систему подачи инертного газа, выполненную с возможностью выборочной подачи или отключения подачи инертного газа из источника инертного газа в указанное внутреннее пространство.

3. Теплоутилизационная система по п. 1, в которой устройство продувки инертным газом содержит форсунки, выполненные с возможностью установки в указанном внутреннем пространстве для введения в него инертного газа.

4. Теплоутилизационная система по п. 1, содержащая контроллер, выполненный с возможностью переключения клапанной системы в байпасное положение и активации устройства продувки инертным газом в ответ на обнаружение протечки в котле-утилизаторе.

5. Теплоутилизационная система по п. 4, содержащая датчик, выполненный с возможностью измерения количества органической рабочей текучей среды в указанном внутреннем пространстве с обеспечением обнаружения протечки в котле-утилизаторе.

6. Теплоутилизационная система по п. 1, в которой котел-утилизатор выполнен с обеспечением циркуляции органической рабочей текучей среды из теплоутилизационной системы.

7. Теплоутилизационная система, содержащая:
котел-утилизатор, выполненный с возможностью поглощения тепла непосредственно из выхлопного газа внутри выхлопной секции двигателя, для нагрева органической рабочей текучей среды при ее нахождении в котле-утилизаторе,
детандер, выполненный с возможностью расширения нагретой органической рабочей текучей среды,
конденсатор, выполненный с возможностью конденсации расширенной органической рабочей текучей среды,
насос, выполненный с возможностью направления конденсированной органической рабочей текучей среды в котел-утилизатор,
датчик, выполненный с возможностью обнаружения протечки органической рабочей текучей среды из котла-утилизатора, и
устройство продувки инертным газом, выполненное с возможностью введения инертного газа в выхлопную секцию при обнаружении протечки.

8. Теплоутилизационная система по п. 7, в которой котел-утилизатор содержит теплообменник из оребренных труб.

9. Теплоутилизационная система по п. 7, в которой детандер содержит детандер-генераторную установку, выполненную с возможностью выработки электроэнергии путем расширения нагретой органической рабочей текучей среды.

10. Теплоутилизационная система по п. 7, в которой конденсатор содержит теплообменник с воздушным охлаждением.

11. Теплоутилизационная система по п. 7, содержащая контроллер, выполненный с возможностью запуска устройства продувки инертным газом при обнаружении протечки.

12. Теплоутилизационная система по п. 11, в которой контроллер выполнен с возможностью остановки насоса при обнаружении протечки.

13. Теплоутилизационная система по п. 7, содержащая клапанную систему, выполненную с возможностью установки в указанной выхлопной секции и переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление выхлопного газа через внутреннее пространство, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора.

14. Способ продувки остаточных выхлопных газов из теплоутилизационной системы, включающий:
обнаружение протечки органической рабочей текучей среды из котла-утилизатора во внутреннее пространство выхлопной секции двигателя,
установку клапана в байпасное положение для направления входящего выхлопного газа в обход указанного внутреннего пространства выхлопной секции, выполняемую при обнаружении протечки, и
введение инертного газа в указанное внутреннее пространство для удаления остаточного выхлопного газа из указанного пространства, выполняемое при обнаружении протечки.

15. Способ по п. 14, в котором при обнаружении протечки определяют повышение уровня содержания углеводородов в газах, выходящих из указанного внутреннего пространства.

16. Способ по п. 14, в котором при обнаружении протечки получают данные, указывающие на наличие протечки, от датчика, расположенного внутри вытяжного устройства, выводящего выхлопной газ, или в указанном внутреннем пространстве.

17. Способ по п. 14, в котором при установке клапана в байпасное положение устанавливают клапан в положение, при котором открыт впуск в перепускной контур и закрыт впуск в указанное внутреннее пространство.

18. Способ по п. 14, в котором при установке клапана в байпасное положение устанавливают систему клапанов в положение, при котором открыт впуск в перепускной контур и закрыт впуск в указанное внутреннее пространство.

19. Способ по п. 14, в котором при введении инертного газа в указанное внутреннее пространство открывают клапан, соединенный с источником подачи инертного газа, для обеспечения протекания инертного газа в указанное внутреннее пространство.

20. Способ по п. 14, в котором при обнаружении протечки останавливают насос, который обеспечивает циркуляцию органической рабочей текучей среды через котел-утилизатор.