Установка для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата Российский патент 2023 года по МПК F22B1/18 

Область техники

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано, в частности, для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата на тепловых электростанциях (ТЭС), эксплуатирующих котельные установки.

Уровень техники

Из уровня техники известно принятое в качестве прототипа заявляемого изобретения устройство утилизации тепла дымовых газов, содержащее газо-газовый теплообменник, конденсатор, инерционный каплеуловитель, газоходы, воздуховоды, вентиляторы и трубопровод. При этом газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник выполнен по схеме противотока, в качестве конденсатора установлен поверхностный газо-воздушный пластинчатый теплообменник, в газоходе холодных осушенных дымовых газов установлен дополнительный дымосос, перед дополнительным дымососом врезан газоход подмеса части подогретых осушенных дымовых газов (патент RU 2436011 С1, дата публикации: 10.12.2011 г. (далее - [1])).

В известном из [1] устройстве утилизации тепла дымовых газов не предусмотрена линия очистки конденсата, отделяемого от дымовых газов, а в качестве теплоносителя, отводящего тепло от дымовых газов с помощью газо-газового теплообменника, используется дутьевой воздух.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено патентуемое изобретение, является обеспечение утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата на ТЭС, а техническими результатами - обеспечение отделения конденсата от дымовых газов, отводимых из основного газохода в байпасный газоход на подогрев подпиточной воды; обеспечение очистки конденсата, отделенного от дымовых газов; обеспечение автоматического регулирования скорости вращения вентилятора декарбонизатора в зависимости от количества поступающего в него конденсата, отделенного от дымовых газов; уменьшение потерь конденсата, отделенного от дымовых газов; и снижение локальной концентрации в воздухе отделенного от вышеуказанного конденсата углекислого газа СО₂, выбрасываемого в атмосферу.

Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что установка для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата содержит основной газоход, к которому присоединен байпасный газоход, на линии которого последовательно по ходу течения газа установлены: первое запорно-регулирующее устройство, газоводяной поверхностный теплообменник, дымосос и второе запорно-регулирующее устройство. При этом установка также содержит трубопровод подпиточной воды, на линии которого установлен первый насос. Причем выход трубопровода подпиточной воды соединен с входом первого отводящего трубопровода, на линии которого в противоход течению газа установлен газоводяной поверхностный теплообменник. При этом выход первого отводящего трубопровода соединен с первым входом бака подпитки тепловой сети. Причем выход трубопровода подпиточной воды также соединен с входом второго отводящего трубопровода, на линии которого установлен как минимум один теплообменник для нагрева воды. При этом выход второго отводящего трубопровода соединен со вторым входом бака подпитки тепловой сети. Причем конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника соединен с трубопроводом для отвода конденсата, на линии которого установлены последовательно по ходу течения воды: гидрозатвор, бак для сбора конденсата, расходомер воды, второй насос, декарбонизатор, как минимум один механический фильтр и как минимум один катионитный фильтр. При этом расходомер воды подключен к вентилятору декарбонизатора. Причем декарбонизатор соединен с входом третьего отводящего трубопровода, выход которого соединен с байпасным газоходом между первым запорно-регулирующим устройством и газоводяным поверхностным теплообменником.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемыми техническими результатами заключается в следующем.

Вход основного газохода соединяется с котельной установкой, а выход - с входом дымовой трубы. Газоводяной поверхностный теплообменник содержит бак, внутри которого установлены трубки, входы и выходы которых соединены с входным и выходным коллекторами соответственно. При этом газоводяной поверхностный теплообменник также содержит конденсатосборник в его нижней части, который соединен с трубопроводом для отвода конденсата. При проведении испытаний опытно-промышленного образца газоводяного поверхностного теплообменника, конденсирующего водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, установлено, что наиболее эффективным является режим работы газоводяного поверхностного теплообменника, при котором расход дымовых газов, поступающих через байпасный газоход в газоводяной поверхностный теплообменник, составляет 20 - 30% от полного расхода дымовых газов котельной установки, поступающих в основной газоход, при номинальном режиме работы котельной установки. При расходе дымовых газов через газоводяной поверхностный теплообменник ниже диапазона 20 - 30% от полного расхода дымовых газов, поступающих в основной газоход, происходит снижение тепловой мощности газоводяного поверхностного теплообменника из-за уменьшения потока тепла, поступающего в газоводяной поверхностный теплообменник. В связи с чем снижается положительной эффект от утилизации тепла дымовых газов. При расходе дымовых газов через газоводяной поверхностный теплообменник более 30% от полного расхода дымовых газов, поступающих в основной газоход, тепловая мощность газоводяного поверхностного теплообменника сохраняется практически на том же уровне, однако увеличивается расход электроэнергии приводом дымососа без существенного увеличения тепловой мощности. В то же время при увеличении расхода дымовых газов через газоводяной поверхностный теплообменник снижается расход дымовых газов через основной газоход, что приводит к снижению скорости их течения. То есть в этом случае в основном газоходе падает количество теплоты, что может в зимний период привести к образованию конденсата из дымовых газов в дымовой трубе.

В процессе эксплуатации котельной установки дымовые газы поступают из котельной установки в основной газоход. При этом часть дымовых газов отводится из основного газохода в байпасный газоход, через который дымовые газы поступают в бак газоводяного поверхностного теплообменника. После чего часть дымовых газов из газоводяного поверхностного теплообменника смешивается с частью дымовых газов в основном газоходе и затем поступает в дымовую трубу. Первое и второе запорно-регулирующие устройства служат для регулирования потока дымовых газов, отводимых из основного газохода. Подпиточная вода перекачивается с помощью первого насоса через трубопровод подпиточной воды, из которого одна часть подпиточной воды поступает через первый отводящий трубопровод в трубки газоводяного поверхностного теплообменника, проходя через его входные и выходные коллекторы, а другая часть подпиточной воды поступает через второй отводящий трубопровод в установленный на его линии как минимум один подогреватель, в котором вода нагревается отборами пара турбины. При этом в газоводяном поверхностном теплообменнике происходит теплообмен через стенки трубок между частью подпиточной воды, проходящей через трубки и коллекторы газоводяного поверхностного теплообменника, и частью дымовых газов, проходящих через бак газоводяного поверхностного теплообменника. После чего обе части подпиточной воды из первого и второго отводящих трубопроводов поступают в бак подпитки тепловой сети, из которого подпиточная вода направляется к потребителю. Конденсат, образующийся в результате охлаждения части дымовых газов, проходящей через бак газоводяного поверхностного теплообменника, отводится из конденсатосборника через трубопровод для отвода конденсата и установленный на его линии гидрозатвор в бак для сбора конденсата. После чего конденсат из бака для сбора конденсата с помощью второго насоса перекачивается в декарбонизатор, в который также подается воздух из атмосферы с помощью его вентилятора. Скорость вращения вентилятора декарбонизатора автоматически регулируется по сигналу подключенного к нему расходомера воды. В случае увеличения расхода конденсата скорость вращения вентилятора автоматически увеличивается и, таким образом, увеличивается расход воздуха, подаваемого в декарбонизатор из атмосферы, а в случае уменьшения - автоматически уменьшается и, таким образом, уменьшается расход воздуха, подаваемого в декарбонизатор из атмосферы. Углекислый газ СО₂, отделяемый от конденсата дымовых газов в декарбонизаторе вместе с частью конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, направляется через третий отводящий трубопровод в байпасный газоход между первым запорно-регулирующим устройством и газоводяным поверхностным теплообменником. После чего часть конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, попадает в конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника и направляется оттуда в бак для сбора конденсата, а углекислый газ CO₂ направляется через байпасный газоход в основной газоход, из которого углекислый газ СО₂ выходит через дымовую трубу в атмосферу. При отсутствии третьего отводящего трубопровода часть конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, вместе с углекислым газом СО₂ приходилось бы выводить из декарбонизатора сразу в атмосферу, что приводило бы к потерям указанной части конденсата и увеличению локальной концентрации углекислого газа СО₂ в атмосфере, поскольку площадь поперечного сечения выходного патрубка декарбонизатора меньше, чем площадь поперечного сечения выхода дымовой трубы. Кроме того выход дымовой трубы располагается выше, чем выход декарбонизатора, что обеспечивает распыление СО₂ на большей высоте в атмосфере. Конденсат из декарбонизатора подается через трубопровод для отвода конденсата в как минимум один механический фильтр и как минимум один катионитный фильтр для осуществления его очистки, а затем поступает к потребителю.

Таким образом, с учетом вышесказанного, при эксплуатации заявляемой установки для утилизации тепла дымовых газов обеспечивается отделение конденсата от дымовых газов, отводимых из основного газохода в байпасный газоход на подогрев подпиточной воды, обеспечивается очистка конденсата, отделенного от дымовых газов, обеспечивается автоматическое регулирование скорости вращения вентилятора декарбонизатора в зависимости от количества поступающего в него конденсата, отделенного от дымовых газов, уменьшается потеря конденсата, отделенного от дымовых газов, и обеспечивается снижение локальной концентрации в воздухе отделенного от вышеуказанного конденсата углекислого газа СО₂, выбрасываемого в атмосферу.

Краткое описание фигуры

На фиг. представлена схема установки для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата.

Описание позиций фигуры

1 - основной газоход;

2 - котельная установка;

3 - дымовая труба;

4 - байпасный газоход;

5 - первое запорно-регулирующее устройство;

6 - газоводяной поверхностный теплообменник;

7 - дымосос;

8 - второе запорно-регулирующее устройство;

9 - трубопровод подпиточной воды;

10 - первый насос;

11 - первый отводящий трубопровод;

12 - бак подпитки тепловой сети;

13 - второй отводящий трубопровод;

14 - теплообменники для нагрева воды;

15 - трубопровод для отвода конденсата;

16 - гидрозатвор;

17 - бак для сбора конденсата;

18 - расходомер воды;

19 - второй насос;

20 - декарбонизатор;

21 - механические фильтры;

22 - катионитные фильтры;

23 - третий отводящий трубопровод;

24 - четвертый отводящий трубопровод.

Осуществление изобретения

Ниже приведен частный пример установки для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата, а также принцип ее работы.

Вход основного газохода 1 соединяется с котельной установкой 2, а выход - с входом дымовой трубы 3. Установка для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата содержит выполненный из стали 12Х18Н10Т основной газоход 1, к которому присоединен выполненный из стали 12Х18Н10Т байпасный газоход 4, на линии которого последовательно по ходу течения газа установлены: первое запорно-регулирующее устройство 5, газоводяной поверхностный теплообменник 6, дымосос 7 и второе запорно-регулирующее устройство 8. Первое и второе запорно-регулирующие устройства 5, 8 представляют собой шиберы. При этом установка также содержит выполненный из стали 12Х18Н10Т трубопровод подпиточной воды 9, на линии которого установлен первый насос 10. Причем выход трубопровода подпиточной воды 9 соединен с входом выполненного из стали 12Х18Н10Т первого отводящего трубопровода 11, на линии которого в противоход течению газа установлен газоводяной поверхностный теплообменник 6. При этом газоводяной поверхностный теплообменник 6 содержит выполненный из стали 12Х18Н10Т бак, внутри которого установлены трубки, входы и выходы которых соединены с входным и выходным коллекторами соответственно. Причем газоводяной поверхностный теплообменник 6 также содержит конденсатосборник, расположенный в его нижней части, а трубки газоводяного поверхностного теплообменника 6 представляют собой выполненные из стали 12Х18Н10Т трубки с оребрением. При этом выход выполненного из стали 12Х18Н10Т первого отводящего трубопровода 11 соединен с первым входом выполненного из стали 12Х18Н10Т бака подпитки тепловой сети 12. Причем выход трубопровода подпиточной воды 9 также соединен с входом выполненного из стали 12Х18Н10Т второго отводящего трубопровода 13, на линии которого установлены два выполненных из стали 12Х18Н10Т поверхностных теплообменника для нагрева воды 14, соединенные с трубопроводами отбора пара из турбины (на фиг. не показаны). Причем выход второго отводящего трубопровода 13 соединен со вторым входом бака подпитки тепловой сети 12. Причем конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника 6 соединен с выполненным из стали 12Х18Н10Т трубопроводом для отвода конденсата 15, на линии которого установлены последовательно по ходу течения воды: гидрозатвор 16, выполненный из стали 12Х18Н10Т бак для сбора конденсата 17, расходомер воды 18, второй насос 19, декарбонизатор 20, четыре механических фильтра 21 и четыре катионитных фильтра 22. В качестве декарбонизатора 20 используется декарбонизатор ДКС(К)-4, который относится к классу контактных десорбционных аппаратов струйного типа и состоит из рабочей зоны, бака и зоны каплеулавливания. Работа декарбонизатора 20 основана на разбрызгивании конденсата на капли и обдуве капель воздухом, подаваемым в декарбонизатор 20 вентилятором, установленным непосредственно в корпусе декарбонизатора 20 и имеющим связь с атмосферой. Объем подаваемого воздуха зависит от расхода конденсата, который измеряется накладными ультразвуковыми датчиками расходомера 18, в качестве которого используется расходомер StreamLux SLS-720F. Накладные ультразвуковые датчики формируют унифицированный токовый сигнал 4…20 мА, который подается на контроллер вентилятора (на фиг. не показан) декарбонизатора 20, который повышает или понижает частоту вращения лопастей вентилятора декарбонизатора 20, тем самым регулируя подачу воздуха. В качестве четырех механических фильтров 21 используются фильтры марки ФОВ-3,0, а в качестве четырех катионитных фильтров 22 -фильтры марки ФИПа-3,0. При этом расходомер воды 18 подключен к вентилятору декарбонизатора 20. Причем декарбонизатор 20 соединен с входом выполненного из стали 12Х18Н10Т третьего отводящего трубопровода 23, выход которого соединен с байпасным газоходом 4 между первым запорно-регулирующим устройством 5 и газоводяным поверхностным теплообменником 6.

Работа установки для утилизации тепла дымовых газов осуществляется следующим образом.

В процессе эксплуатации котельной установки 2 дымовые газы поступают из котельной установки 2 в основной газоход 1. При этом часть дымовых газов, составляющая 25% от полного расхода дымовых газов через основной газоход 1, отводится из основного газохода 1 в байпасный газоход 4, через который дымовые газы поступают в бак газоводяного поверхностного теплообменника 6. После чего часть дымовых газов из газоводяного поверхностного теплообменника 6 смешивается с частью дымовых газов в основном газоходе 1 и затем поступает в дымовую трубу 3. Первое и второе запорно-регулирующие устройства 5, 8 служат для регулирования потока дымовых газов, отводимых из основного газохода 1 в байпасный газоход 4. Подпиточная вода перекачивается с помощью первого насоса 10 через трубопровод подпиточной воды 9, из которого одна часть подпиточной воды поступает через первый отводящий трубопровод 11 в трубки газоводяного поверхностного теплообменника 6, проходя через его входные и выходные коллекторы, а другая часть подпиточной воды поступает через второй отводящий трубопровод 13 в установленные на его линии два подогревателя 14, в которых вода нагревается отборами пара турбины. При этом в газоводяном поверхностном теплообменнике 6 происходит теплообмен через стенки трубок между частью подпиточной воды, проходящей через трубки и коллекторы газоводяного поверхностного теплообменника 6, и частью дымовых газов, проходящих через бак газоводяного поверхностного теплообменника 6. После чего обе части подпиточной воды из первого и второго отводящих трубопроводов 11, 13 поступают в бак подпитки тепловой сети 12, из которого подпиточная вода направляется к потребителю через четвертый отводящий трубопровод 24. Конденсат, образующийся в результате охлаждения части дымовых газов, проходящей через бак газоводяного поверхностного теплообменника 6, отводится из конденсатосборника через трубопровод для отвода конденсата 15 и установленный на его линии гидрозатвор 16 в бак для сбора конденсата 17. После чего конденсат из бака для сбора конденсата 17 с помощью второго насоса 19 перекачивается в декарбонизатор 20, в который также подается воздух из атмосферы с помощью его вентилятора. Скорость вращения вентилятора декарбонизатора 20 автоматически регулируется по сигналу подключенного к нему расходомера воды 18. В случае увеличения расхода конденсата скорость вращения вентилятора автоматически увеличивается и, таким образом, увеличивается расход воздуха, подаваемого в декарбонизатор 20 из атмосферы, а в случае уменьшения - автоматически уменьшается и, таким образом, уменьшается расход воздуха, подаваемого в декарбонизатор 20 из атмосферы. Углекислый газ СО₂, отделяемый от конденсата дымовых газов в декарбонизаторе 20 вместе с частью конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, направляется через третий отводящий трубопровод 23 в байпасный трубопровод 4 между первым запорно-регулирующим устройством 5 и газоводяным поверхностным теплообменником 6. После чего часть конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, попадает в конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника 6 и направляется оттуда в бак для сбора конденсата 17, а углекислый газ СО₂ направляется через байпасный газоход 4 в основной газоход 1, из которого углекислый газ СО₂ выходит через дымовую трубу 3 в атмосферу. При отсутствии третьего отводящего трубопровода 23 часть конденсата, количество которого составляет около 5% от общего количества отделяемого от дымовых газов конденсата, вместе с углекислым газом СО₂ приходилось бы выводить из декарбонизатора 20 сразу в атмосферу, что приводило бы к потерям указанной части конденсата и увеличению локальной концентрации углекислого газа СО₂ в атмосфере, поскольку площадь поперечного сечения выходного патрубка декарбонизатора 20 меньше, чем площадь поперечного сечения выхода дымовой трубы 3. Кроме того выход дымовой трубы 3 располагается выше, чем выход декарбонизатора 20, что обеспечивает распыление СО₂ на большей высоте в атмосфере. Конденсат из декарбонизатора 20 подается через трубопровод для отвода конденсата 15 в четыре механических фильтра 21 и в четыре катионитных фильтра 22 для осуществления его очистки, а затем поступает к потребителю.

Таким образом, с учетом вышесказанного, при эксплуатации заявляемой установки для утилизации тепла дымовых газов обеспечивается отделение конденсата от дымовых газов, отводимых из основного газохода 1 в байпасный газоход 4 на подогрев подпиточной воды, обеспечивается очистка конденсата, отделенного от дымовых газов, обеспечивается автоматическое регулирование скорости вращения вентилятора декарбонизатора 20 в зависимости от количества поступающего в него конденсата, отделенного от дымовых газов, уменьшается потеря конденсата, отделенного от дымовых газов, и обеспечивается снижение локальной концентрации в воздухе отделенного от вышеуказанного конденсата углекислого газа СО₂, выбрасываемого в атмосферу.

Промышленная применимость

Патентуемое изобретение отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и фигуре достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области теплоэнергетики.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано, в частности, для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата на тепловых электростанциях (ТЭС), эксплуатирующих котельные установки. Установка для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата содержит основной газоход, к которому присоединен байпасный газоход, на линии которого последовательно по ходу течения газа установлены: первое запорно-регулирующее устройство, газоводяной поверхностный теплообменник, дымосос и второе запорно-регулирующее устройство. При этом установка также содержит трубопровод подпиточной воды, на линии которого установлен первый насос. Причем выход трубопровода подпиточной воды соединен с входом первого отводящего трубопровода, на линии которого в противоход течению газа установлен газоводяной поверхностный теплообменник. При этом выход первого отводящего трубопровода соединен с первым входом бака подпитки тепловой сети. Причем выход трубопровода подпиточной воды также соединен с входом второго отводящего трубопровода, на линии которого установлен как минимум один теплообменник для нагрева воды. При этом выход второго отводящего трубопровода соединен со вторым входом бака подпитки тепловой сети. Причем конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника соединен с трубопроводом для отвода конденсата, на линии которого установлены последовательно по ходу течения воды: гидрозатвор, бак для сбора конденсата, расходомер воды, второй насос, декарбонизатор, как минимум один механический фильтр и как минимум один катионитный фильтр. При этом расходомер воды подключен к вентилятору декарбонизатора. Причем декарбонизатор соединен с входом третьего отводящего трубопровода, выход которого соединен с байпасным газоходом между первым запорно-регулирующим устройством и газоводяным поверхностным теплообменником. Технические результаты - обеспечение отделения конденсата от дымовых газов, отводимых из основного газохода в байпасный газоход на подогрев подпиточной воды; обеспечение очистки конденсата, отделенного от дымовых газов; обеспечение автоматического регулирования скорости вращения вентилятора декарбонизатора в зависимости от количества поступающего в него конденсата, отделенного от дымовых газов; уменьшение потерь конденсата, отделенного от дымовых газов; и снижение локальной концентрации в воздухе отделенного от вышеуказанного конденсата углекислого газа СО₂, выбрасываемого в атмосферу. 1 ил.

Установка для утилизации тепла дымовых газов и очистки их конденсата, отличающаяся тем, что содержит основной газоход, к которому присоединен байпасный газоход, на линии которого последовательно по ходу течения газа установлены: первое запорно-регулирующее устройство, газоводяной поверхностный теплообменник, дымосос и второе запорно-регулирующее устройство; при этом установка также содержит трубопровод подпиточной воды, на линии которого установлен первый насос; причем выход трубопровода подпиточной воды соединен с входом первого отводящего трубопровода, на линии которого в противоход течению газа установлен газоводяной поверхностный теплообменник; при этом выход первого отводящего трубопровода соединен с первым входом бака подпитки тепловой сети; причем выход трубопровода подпиточной воды также соединен с входом второго отводящего трубопровода, на линии которого установлен как минимум один теплообменник для нагрева воды; при этом выход второго отводящего трубопровода соединен со вторым входом бака подпитки тепловой сети; причем конденсатосборник газоводяного поверхностного теплообменника соединен с трубопроводом для отвода конденсата, на линии которого установлены последовательно по ходу течения воды: гидрозатвор, бак для сбора конденсата, расходомер воды, второй насос, декарбонизатор, как минимум один механический фильтр и как минимум один катионитный фильтр; при этом расходомер воды подключен к вентилятору декарбонизатора; причем декарбонизатор соединен с входом третьего отводящего трубопровода, выход которого соединен с байпасным газоходом между первым запорно-регулирующим устройством и газоводяным поверхностным теплообменником.