Установка утилизации тепла Советский патент 1993 года по МПК F22B1/18 F22B33/18 

Изобретение относится к теплообменной технике, а именно к теплообменным устройствам, предназначенным для утилизации тепла отработавших газов газовых турбин и другого теплосилового оборудования и используемых во многих отраслях народного хозяйства, в том числе в газовой, нефтехимичес кой.

Цель изобретения - повышение эффективности утилизации тепла, а также снижение токсичности выбросов.

На фиг. 1 изображена схема установки утилизации тепла; на фиг. 2 - сечение А-А нафиг;1; на фиг. 3 - схема узлов элементов оросителя и стенок кожуха уетавкм; на фиг.4 - элементы оросителя; на фиг.5- отверстия днища для слива нагреваемой воды в поддон.

Установка содержит трубопровод 1 нагреваемой среды с регулятором 2 расхода воды и запорной задвижкой 3. водораспределитель 4 нагреваемой среды с корпусом и продольными коллекторами 5 и поперечными 6, контактные теплообменные секции 7, газоход 8 с регулятором-турбулизатором 9 газового потока (греющей среды),датчиком температуры 10, поворотные сопла 11с центробежными форсунками, днище 12 с поперечными газовому потоку кольцевыми перегородками 13 и дренирующими щелями или отверстиями 14 с отбортованными в сторону уклона плоскости днища 12 краями, поддон 5 с трубопроводом 16 и эадви&кой 17, поверхностный конденсатор 18, выполненный с газовой и жидкостной полостями, с трубопроводом 19 и задвижкой 20, сборник парогазовой среды 21, трубопроводы 22, 25 с задвижками 22, 24, фильтр-осушитель 26, установленный в газоходе за конденсатором 18, дымосос 27, соединенный с выходным каналом газохода 28, трубопровод 30 с задвижкой 29, соединенный с деаэратором 32 и имеющий вакуумный насос

31, трубопровод 33, соединенный с паропроводом 34, с задвижкой 35 с регулятором 36 расхода пара, датчик 37 температуры нагреваемой в деаэраторе 32 среды. Параллельно нагреваемой среде первыми по ходу газов в газоходе установлены поверхностные теплообменные секции 38, вторая секция 43 -- выполнена в виде тепловых труб. С ними связан напорный насос 39 с трубопроводом 40 с задвижками 41, 42, трубопровод 44 с задвижками 45. 46, 47, дренажи 48. входной канал 49 газохода. Установка также содержит газовую турбину 50, заслонки 51, 52, 53, бэйпасный канал 54 газохода с заслонками 55, 56, 57 по газовой стороне, датчик 58 температуры пара/воды на выходе, регулятор 59 расхода топливного газа на входе в камеру сгорания Ь2 с заслонкой 61 на трубопроводе 66, воздуховод 64 с регулятором 60 расхода воздуха и заслонкой 63, газопровод 65, газоход 67, байласные (обводные) линии 680 69 по нагреваемой среде, выходной трубопровод 70 нагреваемой среды. Установка имеет фильтр-осушитель, установленный в газоход за конденсатором, входной патрубок последнего заведен в жидкостную полость, при этом, при этом корпус контактной теплооб- менной секции выполнен в виде

горизонтально размещенного конфузора-диффузора, при этом угол а раскрытия конфузора-диффузора выбирается из соотношения R/a tg a R/b. где а и b - длины диффузора и конфузора, R

- максим.радиус сечения корпуса контактной секции. 8 установке водораспределитель 4 контактной теплообменной секции 7 содержит размещенный по длине корпуса коллектор с раздающими трубами, снабженными выходными отверстиями, к каждому из которых подключена центробежная форсунка с возможностью распиливания нагреваемой среды вдоль продольного сечения кожуха под углом ft - 80-100 град.. а в продольных сечениях - вдоль радиусов сечения теплообменника, расположенных под углом у 10-20 град, в зависимости от размеров сечения корпуса, поворотные сопла 11 со встроенными центробежными форсунками, подающие нагреваемую жидкость распыленными струями с пересекающимися следами жидкостного потока, в вмде конусных центробежных факелов с углами раскрытиями в диапазоне 50-120 град, в зависимости от относительного диаметра максимального сечения корпуса кон- тактных теплообменных секций 7, изменяющихся для разных устройств в диапазоне 2-5, причем в деаэратор 3 подается 0,8-0,75 суммарного расхода распыленной подогреваемой жидкости, остальная - в количестве 0,2-0.25 подается подогретой из линии охлаждающей жидкости конденсатора, добавка пара в деаэратор 32 в количестве 0,05-0,1 поступает из последнего контура последовательно установленных теплообменников по ходу нагреваемой среды, внутренняя полость контактных тепло- обменных секций разделена на участки длиной 0,55-0,6 кольцевыми перегородками 13 высотой 0,05-0,1 радиуса максимального сечения корпуса, а на днище 12 между перегородками 13 расположены ряды щелей шириной не превышающей 0,1-0,2 их длины, причем прорези одного ряда имеют суммарную длину, составляющую 0,2-0,25 длины кольца каждого соответствующего сечения корпуса и, отбортованными краями в сторону уклонов соответствующих плоскостей днища, трубопровод подвода смеси а конденсатор 18 занурен в нагреваемую среду, а на входе и выходе газов из конденсатора перед дымососом 27 установлены фильтры-осушители 26, а над поддоном 156 выполнена объемная полость.

Установка работает следующим образом.

Нагреваемая среда- вторичный теплоноситель в виде слабощелочной среды или другой жидкости по трубопроводу 1, через получивший команду от задатчиха (на радиусе не указан) регулятор расхода 2 при открытой задвижке 3, подается в водораспределитель 4, в коллекторы 5 и 6 контактных теплообменных секций 7 - первого контура нагрева, встроенного в рабочий участок газохода 8, имеющего на входе регулятор-турбулизатор газового потока и датчик 10 его температуры, разбрызгивается и распыливзется взаимопересекающи- мися струями в виде центробежных факелов с помощью поворотных сопел 11, оборудованных центробежными форсунками. Затем вступая в контакт с горячими дымовыми газами среда нагревается примерно до температуры точки росы в виде гетерогенной 5 газопароводяной смеси, поступает в сборник 21, а жидкость в виде капель попадает на днище 12 контактной теплообменной секции 7 на участки между поперечными газоводу кольцевыми перегородками 13 и

0 стекает через дренирующие отверстия 14 с отбортованными краями в поддон 15, откуда самотеком по трубопроводу 16 при открытой задвижке 17 совместно с парами поступает в конденсатор 18, сюда же по

5 трубопроводу 19 при открытой задвижке 20 поступает из сборника 21 гетерогенная пэ- рогазоводяная смесь, а по трубопроводу 22 при открытой задвижке 23 и закрытой 24 на трубопроводе 25. подводится охлаждающая

0 вода. В межтрубном пространстве конденсатора 18 происходит конденсация паров нагреваемой жидкости, включая пары продуктов сгорания, вода отделяется от газов, которые поступают дальше на фильтр-осу5 шитель 26, дымосос 27 и через выходной канал газохода 28 выводятся в атмосферу, а полученный нагретый конденсат при открытой задвижке 29 по трубопроводу 30 вакуумным насосом 31 подается в деаэратор 32,,

0 туда по трубопроводу 33 подается и нагретая в конденсаторе 18 охлаждающая вода. В деаэраторе 32 паром, поступающим,- из третьего контура нагрева поверхностных теплообменных секций 38 из паропровода

5 34 производится деаэрация поступающего конденсата при открытой задвижке 35 и регулятора 36 расхода пара, получающим сигнал от датчика 37 температуры конденсата в головке деаэратора 32.

0 Конденсат нагреваемой среды напорным питательным насосом 39 по трубопроводу 40 при открытой задвижке 41 и закрытой - 42 подается во второй контур нагрева - теплообменные секции 43 на теп5 ловых трубах, где нагревается до температуры насыщения и, затем, по трубопроводу 44 при открытых задвижках 45. 43 и закрытой - 47 поступает в третий контур теплообмена - в поверхностные теплообменные

0 секции 38 с развитой ребристой теплообменной поверхностью, где нагревается до температуры насыщенного пара в зависимости от заданного давления в теплосети и разделяется на два потока, один поток пара

5 поступает в деаэратор, где барботирует в конденсат, другой поток - подается потребителю. Соли, а также поглощенные нагреваемой средой вредности, в виде растворов оксидов азота, углерода, альдегидов, сажи и карцерогенЬвчастично выводятся из системы в виде шлама и пены через продувочные линии в дренаж 48. Одновременно по входному каналу 49 газохода, от газовой турбины 50 при открытой заслонке 51 и закрытых заслонках 52, 53, подается первичный теп- лоноситель - греющая среда - высокотемпературные уходящие (сбросные) газы, которые последовательно проходят через все теплообменные секции 7.38,43, отдают тепло нагреваемой среде, при этом в кон- тактных теплообменных секциях 7, смешиваясь со слабощелочной водой, очищаются от вредных газообразных выбросов и с низкой температурой, близкой температуре точки росы, через выходной канал газохода 28 дымососом 27 выбрасываются чз атмосферу. При этом шиберами 51 и 56, а также дымососом при закрытых шиберах 52, 53 создается необходимый подпор в теплооб- менном устройстве, регулирующий орган 9 обеспечивает последовательную подачу необходимого количества горячих газов через все теплообменные секции. В случае отсутствия потребителей тепла или при ремонте теплоутилизационной установки уходящие газы отводятся через бэйпасный канал 54 газохода при открытых заслонках 53, 55 и закрытых 56,57. В зимнее время при низких температурах окружающей среды через байпасный канал 54 пропускают в неболь- шом количестве уходящие газы, что обеспечивает обогрев укрытия установки.

При пиковой тепловой нагрузке или в случае снижения температуры теплоносителя, что возможно в зимнее время, когда па- оаметры газового потока газовой турбины 50 естественно снижаются итеплопроизво- дительность теплоутилизационной установки также снижается, датчик 58 температуры нагреваемой среды на выходе из третьей секции 38 теплообмена подает сигнал на регуляторы 59,60 расходов топлива и воздуха пиковорезервного теплогенератора - камеры сгорания 62, при этом открываются заслонки 61, 63, а заслонки 51, 53 закрыва- ются. От газовой турбины 50 воздух на горение подводится воздуховодом 64, а из газопровода 65 по трубопроводу 66 подводится топливный газ, полученные продукты сгорания, на вход в рабочий участок газохо- да 49 подводятся по газоходу 67 при открытых заслонках 52, 58 и закрытых - 51, .53. Одновременно поступает сигнал от датчика 10 температуры газов на входе в рабочий участок 49 газохода 8 на регулятор 59 рас- хода топливного газа камеры сгорания 62.

При остановке газовой турбины 50 для исключения попадания газов от камеры сгорания 62 через проточную .часть турбины 50 в помещения турбинного цеха заслонку 51

закрывают. В случае ремонта, отключения или изменения рабочего процесса теплоутилизационной установки, теплообменные секции 7,38,43 могут отдельно отключаться, при этом включаются обводные линии 68, 69 по нагреваемой среде. Так, при отключении контактных теплообменных секций 7 и при открытой задвижке 23 открывают задвижку 24 на байпасном трубопроводе 25 и охлаждающая вода поступает как в конденсатор 18, так и в деаэратор 32 частично нагревается в конденсаторе 18 уходящими газами, где газы также частично очищаются, так как из них конденсируются собственные пары воды при температуре, близкой к температуре точки росы. Газы, проходя через фильтр-осушитель 25,выбрасываются дымососом 27 в атмосферу. При отключении одной из секций дальнейший нагрев воды происходит также как и в общем случае. При ремонте или отключении только теплообменных секций 43 на тепловых трубах задвижку 41 на трубопроводе 40 закрывают и открывают задвижку 42 на байпасном трубопроводе 68 и вода в третью секцию 38 теплообмена поступает по байпасному трубопроводу 68. При отключении третьей секции теплообмена 38 с развитой ребристой теплообменной поверхностью закрывают задвижки 45, 46 и открывают задвижку 47 байпзсного трубопровода 69 и установка при постоянном расходе нагреваемой среды может выдавать только нагретую воду, при этом паропровод 34 закрывают задвижкой 35 и регулятором расхода пара 36 и нагретая вода по выходному трубопроводу 70 подается к потребителю При снижении температуры нагреваемой среды на выходе из трубопровода датчик 58 температуры линейного сигнализатора тепловой сети поступает сигнал, который корреспондирует с сигналом датчика 10 температуры дымовых газов и при снижении теплосодержания выхлопных газов газовой турбины датчик 10 выдает сигнал на регулятор 60 подачи воздуха и регулятор 59 подачи топливного газа в камеру сгорания 62

Продукты сгорания после камеры сгорания 62 поступают во входной участок газохода 49 , где проходя через регулятор - турбулизатор 9 смешиваются с дымовыми газами агрегата 50 и поступают с заданным теплосодержанием в теплооб- менную секцию 38, где окончательно подогревают нагреваемую жидкость до заданной температуры. При повышении нагреваемой среды датчик температуры линейного сигнализатора теплосети подает сигнал нэ прикрытие регулятора-турбулиза- тора 9 и перепуск газов через байпасный

газоход 54 или при открытом регуляторе- турбулизаторе 9 газового потока на открытие регулятора 60 расхода воздуха при открытых задвижках 52, 63. Датчик 58 температура воды на линейной части теплосети подает сигнал на регулятор 2 расхода воды и регулятор-турбулизатор 9 газа, которые соответственно или закрываются или открываются. При этом датчик 10 температуры газов на входе в последний контур устройства - поверхностные теплообмен- ные секции 38 связаны с регуляторами 59. 60 подачи воздуха и топлива на камеру сгорания 62. Датчик 37 температуры воды в деаэраторе 32 функционально связан с ре- гулятором 36 подачи пара на деаэраторе 32 функционально связан с регулятором 36 подачи пара на деаэрирование воды. Подготовка устройства к работе происходит открытием шибера 56 на рабочем участке газохода 49, регулятора-турбули затора 9 газового потока, закрытием шиберов 53 и 55, на обводном газоходе 54, включением дымососа 57 с одновременным открытием регулятора 2 и запорной задвижки 3 на трубопроводе 1 подвода нагреваемой среды на коллекторы 5 и 6 оросителя 4 контактных теплообменных секций 7, а также открытием задвижек 17, 20, 23, соответственно, на трубопроводах 16, 19, 22 подвода нагреваемой жидкости, парогазоводяной смеси в конденсатор 18. Далее открываются задвижки 29, 41 45, 46, Поступающая нагреваемая среда постепенно заполняет весь внутренний объем теплообменного устрой- ства, вытесняя воздух через воздушники, установленные на теплообменных секциях 38. 43. -При этом задвижки 24, 42, 47 на баипасных трубопроводах 25, 68, 69 подвода нагреваемой среды закрыты. При выходе установки на рабочий режим открывается линия трубопровода 34 подачи пара, для чего по сигналу датчика 37 температуры нагреваемой среды в юловке деаэратора 32, поступает сигнал на открытие регулятора 36 расхода пара при открытой задвижке 35.

В случае уменьшения теплопроизводи- тельности или при ремонте какой либо из теплообменных секций 7, 38, 43 может возникнуть необходимость в отключении ка- кой-либо из .них, тогда вторичный теплоноситель поджимается по соответствующим байпасным линиям мимо отключенных секций. Например, при отключении первой секции теплообмена 7 вода подает- ся мимо конденсатора 18 напрямую по трубопроводу 25 в деаэраторе 32 и затем напорным насосом 39 на вторую 43 и третью 38 секции и затем по трубопроводу 70 к потребителю. При этом перекрываются соответствующие задвижки 3, 17, 23 и открывается задвижка 24. В остальном вся запорная и регулирующая арматура работает как при пуске. При необходимости повышения теплопроизводительности или в случае останова газовой турбины от задэтчика (на чертеже не указан) подается сигнал на датчик 10 температуры газов, установленный на выходе в газоход 49 перед теплообмен- ной секций 38. Затем от указанного датчика 10 подается команда на открытие регулятора 9 газового потока. При недостаточно высокой температуре газового потока подается команда также от датчика 10 на регулятор 59 расхода газа, связанного в свою очередь с регулятором 60 подачи воздуха в камеру сгорания 62. При этом открывается задвижка 52 на газоход 67 и продукты сгорания от камеры 62 поступают в смеситель регулятора-турбулизатора 9 газового потока и затем последовательно в теплообменные секции 38 43, 7. Слив жидкости из контура теплообменного устройства при переходе на летний режим работы или длительной остановке ГПА в зимний период осуществляется в резервные емкости (на чертеже не указаны) или дренажи 48 при открытых воздушниках и дренажных задвижках.

С целью обеспечения симметрии и даль- небойности факелов распыливаемого теплоносителя и, следовательно, интенсификации смешения и теплообменных процессов, камера смешения контактирующих сред контактной секции 7 выполнена в виде трубы Вентури. соединением двух конфузоров, что наряду с равномерным снижением температуры уходящих газов способствует выпадению капельной жидкости в конце процесса и увеличивает срок службы дымососа. Установка конденсата и сброс нагретой охлаждаемой еоды в деаэраторе позволяет избежать термодинамических потерь при смешивании потоков конденсата и охлаждаемой воды. Применение установки приводит к сокращению рабочих площадей компрессорных станций зз счет компактности, неметаллоемкости и возможности изготовления передвижных теллоутилизизационных установок, имеющих возможность подключения на КС в любых необходимых для технологии участках магистральных газопроводов. Использование изобретения позволяет максимально утилизировать тепло уходящих газоо, снизить расход топливного газа на установке частично обезвредить уходя щие газы от ток- сичных веществ, снизить загрязнение и ущерб, наносимый окружающей среде; повысить КПД утилизатора-подогревателя при

последовательном соединении в единый последовательный контур секций контактного, на тепловых трубах и поверхностного теплообменников; обеспечить низкую и стабильную температуру уходящих газов, долговечность и надежность работы дымососа; улучшить условия эксплуатации и надежность устройства утилизации тепла, при высокой эффективности тепломассообмена, с учетом конденсации воды из продуктов сгорания.

Анализ результатов экспериментальных работ по исследованию характеристик, предложенной теплоутилизационной установки показывает, что нагрев среды с одно- и временным удалением из дымовых газов токсичных веществ позволяет увеличить в 2-2,5 раза теп- лопромзводительность,снизить

температуру уходящих газов до температуры точки росы и ниже, выброс вредных газообразных веществ снизить на 10-15%, а расход электроэнергии на 60-80%. Внедрение указанного устройства планируется на компрессорных станциях с газоперекачивающими агрегатами, оборудованными газотурбинными приводами в системе ПО Тюментрансгаз на северном участке магистрального газопровода Ямбург-Елец-За- падныерайоныУкраины.

Опытно-промышленная установка находится на стадии рабочего проектирования. Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства составляет 52 тыс.руб. в год из расчета на одну теплоутилизационную установку мощностью 20 МВт. Социальный-эффект в настоящее время оценить трудно. Планируемый Ухтинским экспериментально-механическим заводом обьем выпуска таких установок в год составляет 15 шт.

Формула изобрете-ния

1. Установка утилизации тепла продуктов сгорания, содержащая последовательно установленные в газоходе после теплогенератора теплообменные секции, включенные

в тракт нагреваемой среды, одна из которых выполнена контактной и снабжена водораспределителем, размещенным в корпусе, и поддоном под ним, а другие - поверхностными, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности утилизации тепла и снижения токсичности выбросов в отводимых продуктах сгорания, установка дополнительно содержит поверхностный

конденсатор, выполненный с газовой и жидкостной полостями, снабженный вакуумным насосом и входным патрубком, подсоединенный к газоходу за теплообмен- ными секциями, а по нагреваемой среде параллельно последней из них, причем первыми по ходу газов в газоходе установлены поверхностные теплообменные секции, вторая из которых выполнена в виде тепловых труб, размещенных в тракте нагреваемой

среды своими зонами конденсации.

2.Установка по п. 1,отличающаяся тем, что она включает фильтр-осушитель,

установленный в газоходе за конденсатором, а входной патрубок последнего заве- ден в жидкостную полость.

3.Установка по пп.1 и 2, отличающая с я тем, что корпус контактной тепло- обменной секции выполнен в виде горизонтально размещенного конфузора-диффузора,

при этом угол а раскрытия конфузора и диффузора выбирается из соотношения R/a tg а R/b. где а и b - соответственно длины диффузора и конфузора. R - максимальный радиус сечения корпуса контактной секции.

4.Установка по пп. 1 -3, о т л и ч а ю щ а я- с я тем. что водораспределитель контактной секции содержит размещенный по длине корпуса коллектор с раздающими

трубами, снабженным выходными отверстиями, к каждому из которых подключена центробежная форсунка.

5.Установка по пп. 1-4, отличающая- с я тем, что она снабжена кольцевыми перегородками, установленными поперечно внутри корпуса, а последний выполнен перфорированным в зоне над поддоном.

//

7. 7/

Редактор

Составитель Ю.Кармозин

Техред М.МоргенталКорректор М.Андрушенко

Фиг. 5