Установка утилизации тепла

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 22 В 1/18, 33/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! Я)

М

О

ОО

ОО (21) 4734698/06 (22) 26.06.89 (46) 23.07.93. Бюл. hh 27 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт по транспорту при. родного газа (72) В.И.Диденко, Ю.С.Осередько. Ю.И.Кармоэин; Б,H.Ïoòåõèí и А.Н.Остапенко (56} Газовая промышленность. Серия: "Подготовка и использование газа", Экспрессинформация, Выпуск 2, M., 1988. с,20-23.

Авторское свидетельство СССР

hb 1078192, кл, F 22 В 1/18, 1982. (54) УСТАНОВКА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА

„„. Ж„„1828988 Al (57) Использование: в теплообменной технике, в частности в теплообменных устройствах, предназначенных для утилизации тепла отработавших газов турбин и другого теплосилового оборудования. Сущность изобретения: в установке утилизации тепла продуктов сгорания, содержащей последовательно установленные в газоходе 8 после теплогенератора, выполненного, например, в виде газовой турбины 50 теплообменные секции 7, 38 и 43, одна из которых, например секция 7, выполнена контактной и снабжена водораспределителем 4, размещенным в корпусе, и поддоном 15 под ним, а другие, например 38 и 43, поверхносТны1828988

40 ми, дополнительно предусмотрен поверхностнь и конденсатор 18, выполненный с газовой и жидкостной полостями, снабженный вакуумным насосом 31 и входным патрубком, подсоединенный к газоходу 8 эа теплообменной секцией 7, а по нагреваемой среде — параллельно этой секции 7, причем первыми. по ходу газов в гаэоходе установлены поверхностные теплообменные секции 43 и 38, вторая иэ которых (секция 38) выполнена а виде тепловых труб, размещенных в тракте нагреааемой среды своими зонами конденсации. Установка также может содержать фильтр — осушитель 26, установИзобретение 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, нефтехимической.

Цель изобретения — повышение эффекTHsHocTH утилизации тепла, а также снижение токсичности выбросов.

На фиг. 1 изображена схема установки утилизации тепла; на фиг. 2 — сечение А-А на фиг;1; на фиг, 3 — схема узлов элементов оросителя и стенок кожуха устааки; на фиг,4 — элементы оросителя; на фиг.5— отверстия днища для слива нагреваемой воды а 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-турбулиэатором 9 газового потока (греющей среды),датчиком температуры.10, поворотные сопла 11 с центробежными форсунками, днище 12 с поперечными газовому потоку кольцевыми перегородками 13 и дренирующими щелями или отверстиями 14 с отбортован ными в сторону уклона плоскости днища 12 краями, поддон 5 с трубопроводом 16 и задаи)к«ой

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 гаэоходе за конденсатором 18, дымосос 27, соединенный с выходным каналом газохода 28, трубопровод 3Î с задвижкой 29, соединенный с деаэратором 32 и имеющий вакуумный насос

35 ленный в газоходе 8 эа конденсатором 18, корпус контактной теплообменной секции 7 может быть выполнен в виде горизонтально размещенного конфуэора — диффузора, водораспределитель 4 этой секции содержит размещенный по длине корпуса продольный и поперечные коллекторы 7 и 8, с регулятором —. турбулизатором 9 газового потока и соплами 11 с центробежными форсунками. В корпусе секции 7 размещаются также поперечные кольцевые перегородки

13, а сам корпус выполнен перфорированным в зоне над поддоном 15, 4 з.п,ф-лы, 5 ил, 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 е аиде 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, байпасный 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 02 с заслонкой 61 на трубопроводе 66, воздуховод 64 с регулятором 60 расхода воздуха и заслонкой 63, газопровод 65, газоход 67, байпасные (обводные) линии 680 69 по нагреваемой среде, выходной трубопровод 70 нагреааемой среды. Установка имеет фильтр-осушитель, установленный а газоход за конденсаторам, входной патрубок последнего заведен в жидкостную полость, при этом, при этом корпус контактной теплообменной секции выполнен а виде горизонтально размещенного конфузора-диффузора, при этом угол

Q раскрытия конфузора-диффузора аыбираетсся из соотношения R/а > т9 а р R/Ь. где а и Ь вЂ” длины диффузора и конфуэора, R — максим. радиус сечения корпуса контактной секции, 8 установке аодораспределитель 4 контактной теплообменной секции 7 содержит размещенный по длине корпуса коллектор сраздающими трубами,,снабженными выходными отверстиями, к каждому из «оторых подключена центробежная форсунка с возможностью распыливания нагреааемой среды вдоль продольного се1828988

10

20

30

50

55 чения кожуха под углом j3 = 80- t00 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 виде конусных центробежных факелов с углами раскрытиями в диапазоне 50 — 120 град, в зависимости от относительного диаметра максимального сечения корпуса контактных 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 теплообменных 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 в 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 обьемная полость.

Устэновка работает следующим образом.

Нагреваемая среда- вторичный теплоноситель в виде слабощелочной среды или другой жидкости по трубопроводу 1, через получивший команду от эадатчика (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 гаэохода 8, имеющего на входе регулятор-турбулизатор газового потока и датчик 10 его температуры, разбрыэгивается и распыливается взаимопересекающимися 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 гаэопароводяной смеси, поступает в сборник 21, а жидкость в виде капель попадает на днище t2 контактной теплообменной секции 7 на участки между поперечными газоводу кольцевыми перегородками 13 и 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 трубопроводу 19 при открытой задвижке 20 поступает из сборника 21 гетерогенная парогазоводяная смесь. а по трубопроводу 22 при открытой задвижке 23 и закрытой 24 на трубопроводе 25. подводится охлаждающая вода. В межтрубном пространстве конденсатора 18 происходит конденсация паров нагреваемой жидкости, включая пары продуктов сгорания, вода отделяется от газов, которые поступают дальше.на фильтр-осушитель 26, дымосос 27 и через выходной канал газохода 28 выводятся в атмосферу. а полученный нагретый конденсат при откры- той задвижке 29 по трубопроводу 30 вакуумным насосом 31 подается в деаэратор 32„ 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

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.

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 тепловых 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 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 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 систеI

1828988 мы 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 теплоноситель — греющая среда — высокотемпературные уходящие (сбросные) газы. которые последовательно проходят через все теплообменные секции 7, 38, 43. отдают тепло нагреваемой среде, при этом в контактных 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 ъ атмосферу. При .этом шиберами 51 и 5b, а также дымососом при закрытых шиберах 52, 53 создается необходимый подпор в теплообменном устройстве, регулирующий орган 9 обеспечивает последовательную подачу необходимого количества горячих газов через все теплообменные секции. 8 случае отсутствия потребителей тепла или при ремонте теплоутилизационной установки уходящие газы отводятся через бЪйпасный 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 небольшом количестве уходящие газы. что обеспечивает обогрев укрытия установки.

При пиковой тепловой нагрузке или в случае снижения температуры теплоносителя, что возможно в зимнее время, когда паоаметры газового потока газовой турбины

50 естественно снижаются и теплопроизводительность теплоутилизацион ной установки также снижается, датчик 58 температуры нагреваемой средц на выходе из третьей секции 38 теплообмена подает сигнал на регуляторы 59, 60 расходов топлива и воздуха пиковорезервного теплогенераторэ — камеры сгорания 62, при этом открываются заслонки 61, 63, а заслонки 51, 53 закрываются. От газовой турбины 50 воздух на горение подводится воздуховодом 64, а из газопровода 65 по трубопроводу 66 подводится топливный гаэ, полученные продукты сгорания на вход в рабочий участок газохода 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 расхода 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

55 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 теплообменэ 38 с развитой ребристой теплообменной поверхностью закрывают задвижки 45, 46 и открывают задвижку 47 байпасного 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 па 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 теплосодержэния 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 теплообменную секцию 38, где окончательно подогревают нагреваемую жидкость до заданной температуры. При повышении нагреваемой среды датчик температуры линейного сигнализатора теплосети подает сигнал на прикрытие регулятора-турбулизатора 9 и перепуск газов через байпасный

1828988

10

25

50 газоход 54 или при открытом регуляторетурбулиэаторе 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 теплоабменные 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 регулятором 36 подачи пара на деаэраторе 32 функционально связан с регулятором 36 подачи парэ на деаэрирование воды. Подготовка устройства к работе происходит открытием шибера 56 на рабочем участке газохода 49, регулятора-турбулизатора 9 газового потока, закрытием шиберов 53 и 55, на обводном гаэоходе 54, включением дымосаса 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 абьем теплообменного устройства, вытесняя воздух через ваздушники, установленные на теплообменных секциях

38. 43. При этом задвижки 24, 42, 47 на байпасных трубопроводах 25, 68, 69 подвода нагреваемой среды закрыты. При выходе установки на рабочий режим открывается линия трубопровода 34 подачи пара, для чего па сигналу датчика 37 температуры нагреваемой среды в головке деаэратэра 32, поступает сигнал на открытие регулятора 36 расхода пара при открытой задвижке 35.

В случае уменьшения теплапроизводительности или при ремонте какой либо иэ теплообменных секций 7, 38, 43 может возникнуть необходимость в отключении какой-либо из,них, тогда вторичный теплоноситель поджимается па соответствующим байпасным линиям мимо отключенных секций. Например, при отключении первой секции теплоабмена 7 вода подается 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 саответствующие 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 астанова газовой турбины от эадатчика (на чертеже не указан) подается сигнал на датчик 10 температуры газов, установленный на выходе в газоход 49 перед теплоабменной секций 38. Затем от укаэанного датчика

Ь

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 ваздушниках и дренажных задвижках.

С целью обеспечения симметрии и дальнебойнасти факелов распыливаемого теплоносителя и, следовательно, интенсификации смешения и теплаабменных процессов, камера смешения контактирующих сред контактной секции 7 выполнена в виде трубы Вентури, соединением двух конфузаров, 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 воды в деаэраторе позволяет избежать термодинамических потерь при смешивании потоков конденсата и охлаждаемой воды. Применение установки приводит к сокращению рабочих площадей кампрессорных станций за счет компактности, неметаллоемкасти и возможности изготовления передвижных теплоутилизизационных установок, имеющих возможность подключения на КС в любых необходимых для технологии участках магистральных газопроводов. Использование изобретения позволяет максимальна утилизировать тепло уходящих газов, снизить расход топливного газа на установке частично обезвредить уходя щие газы от токсичных веществ, снизить загрязнение и ущерб. наносимый окружающей среде; повысить КПД утилизатара-подогревателя при

1828988

30

40

45 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 однои временным удалением из дымовых газов токсичных веществ позволяет увелйчить в 2 — 2,8 раза тепФ лопроиэводительность, снизить температуру уходящих газов до температуры точки росы и ниже, выброс вредных газообразных веществ снизить на 10-15, а расход электроэнергии на 60 — 80 . Внедреwe указанного устройства планируется на компрессорных станциях с газоперекачивающими агрегатами, оборудованными газотурбинными приводами в системе ПО

"Тюментрансгаз" на северном участке магистрального газопровода Ямбург-Елец-Западные районы -Украины.

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 зкспериментально-механическим заводом обьем выпуска таких установок в год составляет 15 шт.

Формула изобретения

1. Установка утилизации тепла продуктов сгорания, содержащая последовател ьно 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,сцелью 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 гаэоходу за теплообменными секциями, а по нагреваемой среде— параллельно последней из них, причем первыми по ходу газов в газоходе установлены поверхностные теплообменные секции, вторая иэ которых выполнена в виде . тепловых труб, размещенных в тракте нагреваембй среды своими зонами конденсации.

2. Установка no ï.1. отличающаяся тем, что она включает фильтр-осушитель, установленный в газоходе за конденсатором, а входной патрубок последнего заведен в жидкостную полость.

3. Установка по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что корпус контактной теплообменной секции выполнен в виде горизонтально размещенного конфузора-диффузора, при атом угол Q раскрытия конфуэора и диффузора выбирается из соотношения И/а

> tg a p R/Ь, где а и Ь вЂ” соответственно длины диффуэора и конфузора. R — максимальный радиус сечения корпуса контактной секции.

4. Установка по пп,1-3, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что водораспределитель контактной секции содержит размещенный по длине корпуса коллектор с раздающими трубами, снабженным выходными отверстиями, к каждому иэ которых подключена центробежная форсунка, 5, Установка по пп, 1 — 4, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что она снабжена кольцевыми перегородками, установленными поперечно внутри корпуса, а последний выполнен перфорированным в зоне над поддоном, 1828988

Составитель Ю.Кармазин

Тех ред M. Ìîðãåíòàë Корректор М.Андрушенко

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101.Заказ 2473 Тираж Подписное

ЯНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5