СПОСОБ РАБОТЫ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ГАЗА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2022 года по МПК F28D15/00 

Изобретение относится к способам нагревания газов или газожидкостных смесей с попутной генерацией электрической энергии, принцип осуществления которых основан на замкнутом органическом цикле Ренкина и термоэлектрическом эффекте Зеебека, и может быть использовано в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности.

Известна комбинированная тепло- и электрогенерирующая энергетическая система, содержащая пиковый водогрейный котел, парогенератор низкокипящего рабочего тела, паровую турбину, снабженную электрогенератором, сетевой насос, конденсатор-подогреватель, тракт первичной воды, тракт обратной сетевой воды, в которой горячую воду из пикового водогрейного котла подают в парогенератор низкокипящего рабочего тела с постоянным расходом, что обеспечивает стабильность работы турбины вне зависимости от тепловой нагрузки, при этом в парогенераторе осуществляют частичный отбор теплоты от перегретой сетевой воды с целью генерации пара из жидкой фазы низкокипящего рабочего тела, после чего сетевую воду смешивают с водой, поступающей в тракт первичной воды из других водогрейных котлов, и направляют потребителям, от которых использованную воду по тракту обратной сетевой воды подают в конденсатор-подогреватель посредством сетевого насоса, при этом насыщенный пар низкокипящего рабочего тела подают на паровую турбину, которая снабжена электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию для покрытия собственных нужд, после чего отработавший в турбине пар низкокипящего рабочего тела направляют в конденсатор-подогреватель, где происходит его конденсация, при этом всю полезную сбросную теплоту низкокипящего рабочего тела используют для подогрева обратной сетевой воды на входе в котлы, что в конечном итоге улучшает общую эффективность и экономит топливо (патент RU №151465, F01K 17/02, 2015).

Основным недостатком работы известной комбинированной тепло- и электрогенерирующей энергетической системы является применение сетевой воды в качестве теплоносителя для нагрева и охлаждения низкокипящего органического рабочего тела, что требует соответствующих процессов химической очистки и ограничивает область применения энергоустановки.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится способ работы подогревателя ПГ1000 с промежуточным теплоносителем, содержащего теплообменник, горелочное устройство, жаровую трубу, размещенную в теплообменнике, дымовую трубу, трубопровод подачи топливного газа, трубопровод подвода газожидкостной смеси, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, трубопровод отвода газожидкостной смеси, согласно которому топливный газ подают в подогреватель и по трубопроводу подачи топливного газа направляют через теплообменник, во избежание образования льда на регуляторах давления, на горелочное устройство, где его сжигают, после чего образовавшиеся продукты сгорания направляют в жаровую трубу, причем тепло от жаровой трубы используют для нагревания промежуточного теплоносителя, после чего продукты сгорания подают в дымовую трубу, откуда они удаляются естественной тягой в атмосферу, в то же время подаваемую для нагревания газожидкостную смесь направляют в продуктовый змеевик теплообменника для передачи тепла от промежуточного теплоносителя к нагреваемой газожидкостной смеси, после чего газожидкостную смесь из продуктового змеевика подают по трубопроводу отвода газожидкостной смеси (Каталог продукции ГК «Космос-Нефть-Газ», http://www.kng.ru/prod/katalogKNG.pdf).

Недостатком известного способа работы подогревателя является отсутствие применения процесса когенерации, работа подогревателя заключается лишь в нагревании газожидкостной смеси, при этом большая часть тепловой энергии, которую можно использовать для генерации электрической энергии, попросту теряется.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании способа работы подогревателя газа, применение которого позволит не только осуществлять подогрев газов или газожидкостных смесей, но и попутно генерировать электрическую энергию при использовании замкнутого органического цикла Ренкина и термоэлектрического эффекта Зеебека, что в конечном итоге поспособствует повышению эффективности процесса и минимизации экономических затрат на электрическую энергию, необходимую для обеспечения работоспособности электрооборудования, входящего в состав подогревателя газа.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе работы подогревателя газа, содержащего теплообменник, горелочное устройство, жаровую трубу, размещенную в теплообменнике, дымовую трубу, трубопровод подачи топливного газа, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, топливный газ подают в подогреватель и по трубопроводу подачи топливного газа направляют через теплообменник на горелочное устройство для сжигания, после чего образовавшиеся продукты сгорания направляют в жаровую трубу, причем тепло от жаровой трубы используют для нагревания промежуточного теплоносителя, после чего поток продуктов сгорания подают в дымовую трубу, при этом подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу подвода газа или газожидкостной смеси направляют в продуктовый змеевик теплообменника для передачи тепла от промежуточного теплоносителя к нагреваемым газу или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь из продуктового змеевика направляют по трубопроводу отвода газа или газожидкостной смеси, при этом в дымовую трубу устанавливают первый теплообменный аппарат, а с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси соединяют второй теплообменный аппарат, при этом потоком продуктов сгорания, проходящим в дымовой трубе, и потоком подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси, проходящим в трубопроводе подвода газа или газожидкостной смеси, организуют фазовые переходы низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, при этом низкокипящее рабочее тело в жидкой фазе подают из ресивера насосом в первый теплообменный аппарат, нагревают и газифицируют в нем, затем направляют на турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, а после срабатывания на турбине рабочее тело охлаждают и конденсируют во втором теплообменном аппарате.

Другой вариант решения поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе работы подогревателя газа, содержащего теплообменник, горелочное устройство, жаровую трубу, размещенную в теплообменнике, дымовую трубу, трубопровод подачи топливного газа, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, топливный газ подают в подогреватель и по трубопроводу подачи топливного газа направляют через теплообменник на горелочное устройство для сжигания, после чего образовавшиеся продукты сгорания направляют в жаровую трубу, причем тепло от жаровой трубы используют для нагревания промежуточного теплоносителя, после чего поток продуктов сгорания подают в дымовую трубу, при этом подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу подвода газа или газожидкостной смеси направляют в продуктовый змеевик теплообменника для передачи тепла от промежуточного теплоносителя к нагреваемым газу или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь из продуктового змеевика направляют по трубопроводу отвода газа или газожидкостной смеси, при этом в состав подогревателя дополнительно включают термоэлектрический генератор, причем в дымовую трубу устанавливают теплообменный аппарат горячего потока термоэлектрического генератора и первый теплообменный аппарат, а с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси соединяют теплообменный аппарат холодного потока термоэлектрического генератора и второй теплообменный аппарат, при этом поток продуктов сгорания, проходящий в дымовой трубе, и поток подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси, проходящий в трубопроводе подвода газа или газожидкостной смеси, направляют, соответственно, в теплообменные аппараты горячего и холодного потоков термоэлектрического генератора, между которыми устанавливают термоэлектрические генераторные модули, причем упомянутыми потоками продуктов сгорания топлива и подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси организуют фазовые переходы низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, при этом низкокипящее рабочее тело в жидкой фазе подают из ресивера насосом в первый теплообменный аппарат, нагревают и газифицируют в нем, затем направляют на турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, а после срабатывания на турбине рабочее тело охлаждают и конденсируют во втором теплообменном аппарате, после чего направляют обратно в ресивер, при этом электроэнергию от термоэлектрического генератора используют для питания электрического привода насоса.

В вариантах выполнения предложенного способа, с целью дополнительного охлаждения, после срабатывания на турбине низкокипящее рабочее тело предварительно направляют в радиатор и охлаждают потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором, кинематически связанным с турбиной.

Схемы реализации предложенных способов работы подогревателя газа приведены на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.

Предложенный способ, заключающийся в нагревании газов или газожидкостных смесей и попутной генерации электрической энергии в подогревателе газа, реализуется следующим образом.

Топливный газ (фиг. 1, фиг. 3) подают в подогреватель по трубопроводу 1 подачи топливного газа, затем дополнительно подогревают в теплообменнике 4, после чего направляют в горелочное устройство 2 для сжигания. Образовавшиеся продукты сгорания подают в жаровую трубу 3, закрепленную в теплообменнике 4, где происходит передача тепла промежуточному теплоносителю, после чего поток продуктов сгорания направляют в дымовую трубу 5 и пропускают через первый теплообменный аппарат (испаритель) 12 для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина, после чего происходит рассеивание продуктов сгорания из дымовой трубы 5 естественной тягой в атмосферу. Подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу 6 подвода газа или газожидкостной смеси пропускают через второй теплообменный аппарат (конденсатор) 9 для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина, после чего направляют в продуктовый змеевик 7 теплообменника 4, где происходит передача тепла от нагретого промежуточного теплоносителя к потоку нагреваемых газа или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь направляют по трубопроводу 8 отвода газа или газожидкостной смеси для прохождения дальнейшей технологической цепочки.

В вариантах выполнения предложенного способа (фиг. 2, фиг. 4) топливный газ подают в подогреватель по трубопроводу 1 подачи топливного газа, затем дополнительно подогревают в теплообменнике 4, после чего направляют в горелочное устройство 2 для сжигания. Образовавшиеся продукты сгорания подают в жаровую трубу 3, закрепленную в теплообменнике 4, где происходит передача тепла промежуточному теплоносителю, после чего поток продуктов сгорания направляют в дымовую трубу 5, подают в теплообменный аппарат горячего потока термоэлектрического генератора 15 и пропускают через первый теплообменный аппарат (испаритель) 12 для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина, после чего происходит рассеивание продуктов сгорания из дымовой трубы 5 естественной тягой в атмосферу. Подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу 6 подвода газа или газожидкостной смеси подают в теплообменный аппарат холодного потока термоэлектрического генератора 15 и пропускают через второй теплообменный аппарат (конденсатор) 9 для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина, после чего направляют в продуктовый змеевик 7 теплообменника 4, где происходит передача тепла от нагретого промежуточного теплоносителя к потоку нагреваемых газа или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь направляют по трубопроводу 8 отвода газа или газожидкостной смеси для прохождения дальнейшей технологической цепочки. При этом между теплообменными аппаратами горячего и холодного потоков термоэлектрического генератора 15 устанавливают термоэлектрические генераторные модули, принцип работы которых основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, а электроэнергию, которую получают при помощи термоэлектрического генератора 15, подают, как минимум, на питание электрического привода (не обозначено) насоса 11.

Работа замкнутого органического цикла Ренкина в вариантах выполнения предложенного способа осуществляется следующим образом.

Из ресивера 10 под действием насоса 11, низкокипящее рабочее тело подают в первый теплообменный аппарат (испаритель) 12, где происходит его нагревание и газификация. Далее рабочее тело направляют на турбину 13, от которой при вращении крутящий момент передается ротору электрогенератора 14, кинематически связанному с рабочим колесом турбины 13, для выработки электроэнергии. После срабатывания на турбине 13 рабочее тело охлаждают и конденсируют во втором теплообменном аппарате (конденсаторе) 9, затем рабочее тело в жидкой фазе направляют в ресивер 10.

В вариантах выполнения предложенного способа, с целью дополнительного охлаждения рабочего тела в замкнутом цикле (фиг. 3, фиг. 4), после срабатывания на турбине 13 рабочее тело направляют в радиатор 17 и охлаждают потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором 16, причем вентилятор 16 кинематически связан с турбиной 13.

Таким образом, использование предложенного способа работы подогревателя газа, служащего для нагрева газов или газожидкостных смесей и попутного производства электрической энергии в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности позволит повысить эффективность процесса, а также свести к минимуму экономические затраты на электрическую энергию, необходимую для обеспечения работоспособности электрооборудования, входящего в состав подогревателя.

Изобретение относится к способам нагревания газов или газожидкостных смесей с попутной генерацией электрической энергии и может быть использовано в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности. Генерация электроэнергии в предложенном способе реализуется при использовании органического цикла Ренкина, термоэлектрического эффекта Зеебека. Применение предложенного способа работы подогревателя газа, служащего для нагрева газов или газожидкостных смесей и производства электрической энергии, в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности позволит повысить эффективность процесса, а также свести к минимуму экономические затраты на электрическую энергию, необходимую для обеспечения работоспособности электрооборудования, входящего в состав подогревателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы подогревателя газа, содержащего теплообменник, горелочное устройство, жаровую трубу, размещенную в теплообменнике, дымовую трубу, трубопровод подачи топливного газа, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, заключающийся в том, что топливный газ подают в подогреватель и по трубопроводу подачи топливного газа направляют через теплообменник на горелочное устройство для сжигания, после чего образовавшиеся продукты сгорания направляют в жаровую трубу, причем тепло от жаровой трубы используют для нагревания промежуточного теплоносителя, после чего поток продуктов сгорания подают в дымовую трубу, при этом подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу подвода газа или газожидкостной смеси направляют в продуктовый змеевик теплообменника для передачи тепла от промежуточного теплоносителя к нагреваемым газу или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь из продуктового змеевика направляют по трубопроводу отвода газа или газожидкостной смеси, отличающийся тем, что в дымовую трубу устанавливают первый теплообменный аппарат, а с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси соединяют второй теплообменный аппарат, при этом потоком продуктов сгорания, проходящим в дымовой трубе, и потоком подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси, проходящим в трубопроводе подвода газа или газожидкостной смеси, организуют фазовые переходы низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, при этом низкокипящее рабочее тело в жидкой фазе подают из ресивера насосом в первый теплообменный аппарат, нагревают и газифицируют в нем, затем направляют на турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, а после срабатывания на турбине рабочее тело охлаждают и конденсируют во втором теплообменном аппарате, после чего направляют обратно в ресивер.

2. Способ работы подогревателя газа, содержащего теплообменник, горелочное устройство, жаровую трубу, размещенную в теплообменнике, дымовую трубу, трубопровод подачи топливного газа, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, заключающийся в том, что топливный газ подают в подогреватель и по трубопроводу подачи топливного газа направляют через теплообменник на горелочное устройство для сжигания, после чего образовавшиеся продукты сгорания направляют в жаровую трубу, причем тепло от жаровой трубы используют для нагревания промежуточного теплоносителя, после чего поток продуктов сгорания подают в дымовую трубу, при этом подаваемые для нагревания газ или газожидкостную смесь по трубопроводу подвода газа или газожидкостной смеси направляют в продуктовый змеевик теплообменника для передачи тепла от промежуточного теплоносителя к нагреваемым газу или газожидкостной смеси, после чего нагретые газ или газожидкостную смесь из продуктового змеевика направляют по трубопроводу отвода газа или газожидкостной смеси, отличающийся тем, что в состав подогревателя дополнительно включают термоэлектрический генератор, причем в дымовую трубу устанавливают теплообменный аппарат горячего потока термоэлектрического генератора и первый теплообменный аппарат, а с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси соединяют теплообменный аппарат холодного потока термоэлектрического генератора и второй теплообменный аппарат, при этом поток продуктов сгорания, проходящий в дымовой трубе, и поток подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси, проходящий в трубопроводе подвода газа или газожидкостной смеси, направляют, соответственно, в теплообменные аппараты горячего и холодного потоков термоэлектрического генератора, между которыми устанавливают термоэлектрические генераторные модули, причем упомянутыми потоками продуктов сгорания топлива и подаваемых для нагревания газа или газожидкостной смеси организуют фазовые переходы низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, при этом низкокипящее рабочее тело в жидкой фазе подают из ресивера насосом в первый теплообменный аппарат, нагревают и газифицируют в нем, затем направляют на турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, а после срабатывания на турбине рабочее тело охлаждают и конденсируют во втором теплообменном аппарате, после чего направляют обратно в ресивер, при этом электроэнергию от термоэлектрического генератора используют для питания электрического привода насоса.

3. Способ работы подогревателя газа по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после срабатывания на турбине рабочее тело предварительно направляют в радиатор и охлаждают потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором, кинематически связанным с турбиной.