Агрегат підігріву стиснутого повітря

Реферат: Агрегат підігріву стиснутого повітря містить теплообмінник рекуперативного типу, що включає установлені в газоході петельні теплообмінні труби, петлі яких розташовані одна в другій з утворенням плоских ширм, а також підвідний та відвідний повітряні колектори. Агрегат містить розташований перед входом у теплообмінник пристрій для вироблення високотемпературної суміші за рахунок спалювання малокалорійного палива, вентилятор подачі повітря для горіння в пристрій для вироблення високотемпературної суміші, димосос для подолання опору газоходу. При цьому теплообмінник, виконаний у вигляді модулів ширмових блоків, які формують газохід, при цьому ширмові блоки зібрані з пакетів плоских ширм. UA 88370 U (12) UA 88370 U UA 88370 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплоенергетики і може бути використана для обладнання газотурбінних електростанцій у циклі генерації електричної енергії. Робочим тілом у газотурбінних електростанціях (ГТЕ) служить розігріта газоповітряна суміш, що утворюється при спалюванні висококалорійного природного газу, який стає дефіцитним і дорогим паливом. У цей час актуальним є розробка нових приводів ГТЕ, що працюють на доступних дешевих, малокалорійних видах палива, або переведення існуючих ГТЕ на згадані види палива. Альтернативним рішенням для існуючих газотурбінних електростанцій (без наступних капітальних змін у конструкції останніх) може послужити нагрівання стиснутого в компресорі ГТЕ повітря до необхідних параметрів у спеціальному повітронагрівачі, що повертається в робочу зону ГТЕ для перетворення енергії розігрітого стиснутого повітря в енергію турбіни, що через систему валопроводів обертає ротор генератора. З рівня техніки відомі пристрої для нагрівання повітря. Відомий повітронагрівач із жаротрубним теплообмінником (RU 66800 U1, F24H 8/00, публ. 27.09.2007), що містить камеру згоряння, повітровід циліндричної форми, теплообмінник, виконаний з вертикально розташованих у шаховому порядку труб, трубу для виходу продуктів згоряння. Відомий рекуперативний повітронагрівач і пальниковий пристрій повітронагрівача (RU 19143 U1, F24H 3/00, F24H 3/02 публ. 10.08.2001), що містить установлені на рамі теплообмінник з пальниковим пристроєм, камерою згоряння, вихлопний пристрій, вентилятор, колектори підведення повітря і газу до пальникового пристрою, паливну апаратуру, силовий пульт. Теплообмінник виконаний пластинчастим з утворенням плоскопаралельних каналів відводу продуктів згоряння і повітряних каналів, що чергуються з ними. Відомий повітронагрівач рекуперативного типу [RU 2170883 С1, F23L 15/04, публ. 20.07.2001], що містить установлений у газоході пакет труб, підключений до розділених перегородками коробам, що підводять і відводять повітря, датчики температури і регулятори витрати повітря із приводом і лінією керування. Найбільш близьким за сукупністю істотних ознак є пристрій для підігріву повітря газами, що відходять, на промислових печах у металургійній промисловості - рекуператор [SU 1206564, F23L 15/04, публ. 23.01.1986], який містить установлені в газоході з утворенням поздовжніх рядів U-подібні теплообмінні труби, петлі яких розташовані одна в другій з утворенням плоских ширм, а вхідні та вихідні кінці кожної петлі заведені в порожнини вхідних і вихідних колекторів відповідно, кінці петель теплообмінних труб виконані зі змінною довжиною. Проведений аналіз рівня техніки показав, що відомі пристрої підігріву повітря не дозволяють нагрівати потік стиснутого повітря, що надходить із турбокомпресора, до необхідних параметрів газоповітряної суміші ГТЕ. Такий потік має параметри витрати повітря близько 20 кг/сек., тиск стиснутого повітря близько 1,0 МПа, температура стиснутого повітря від 300 °C до 900 °C, робоча температура продуктів згоряння до 1100 °C. Задачею корисної моделі є створення агрегату для підігріву чистого циклового повітря, що виходить після турбокомпресора і має тиск до 1,0 МПа (вона ж перед агрегатом) та температуру робочого повітря після компресора (вона ж перед агрегатом) - 300 °C до температури робочого тіла газотурбінної установки перед турбіною (вона ж після агрегату) - 900 °C із застосуванням низькокалорійних палив. Поставлена задача вирішується тим, що агрегат підігріву стиснутого повітря (АПСП), який включає, теплообмінник рекуперативного типу, що містить установлені в газоході петельні теплообмінні труби, петлі яких розташовані одна в другій з утворенням плоских ширм, підвідний та відвідний повітряні колектори, відповідно до корисної моделі, містить розташований перед входом у теплообмінник пристрій для вироблення високотемпературної суміші (ПВВС) за рахунок спалювання малокалорійного палива, вентилятор подачі повітря горіння в ПВВС, димосос для подолання опору газоходу, при цьому теплообмінник, виконаний у вигляді модулів ширмових блоків, що формують газохід, при цьому ширмові блоки зібрані з пакетів плоских ширм. Найкращий технічний результат досягається у варіанті виконання, при якому вхід підвідного повітряного колектора розташований на виході газоходу, забезпечуючи протитечійний характер руху теплоносіїв, при цьому конструкція, матеріал і кількість петельних труб ширмових пакетів залежить від температурних і теплофізичних характеристик теплоносіїв, що змінюються при протитечійному характері руху, температурних і теплофізичних характеристик теплоносіїв, а вертикальні частини петельних труб пакета складають шаховий трубний пучок, виконаний із кроком, що забезпечує максимально можливу пропускну здатність і тепловіддачу високотемпературної суміші. 1 UA 88370 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У кращому варіанті виконання агрегату модулі теплообмінника виконані транспортабельними, з можливістю збирання на місці монтажу. Технічний результат при реалізації заявленого агрегату може досягатися при застосуванні як палива малокалорійних горючих речовин різного хімічного складу, різної калорійності та фізичного составу, від чого залежить тип пристрою, що генерує високотемпературну суміш. Як варіант такого пристрою, що працює на низькокалорійних газах, таких як коксовий, шахтний метан, синтез-газ, генераторні, сланцеві, доменний гази, може використовуватися ПВВС, що містить пальниковий пристрій, циклонний передтопок, генератор високотемпературної суміші (ГВС), паливні колектори. Найбільш ефективна робота такого пристрою в сукупності з паливонагрівачем, що використовує залишкове тепло високотемпературної суміші для підігріву палива, який розташований на виході теплообмінника. Паливонагрівач може бути виконаний у вигляді одноходового рекуперативного теплообмінника і з'єднаний із ГВС паливним колектором. АПСП розроблений для повітряно-турбінної установки (ПТУ), у якій як робоче тіло використовується попередньо стиснуте та підігріте атмосферне повітря, що може подаватися в АПСП по спеціальних колекторних трубопроводах, які забезпечують підтримку тиску повітря стиснутого до робочого тиску турбіни. Для забезпечення мінімально можливого опору тиску повітря і максимально можливого теплообміну при нагріванні стиснутого циклового повітря до необхідної температури доцільним є двоканальний варіант виконання з паралельним розташуванням каналів. Величину площі прохідних перетинів і робочих каналів теплообмінника визначають теплові, витратні та кінетичні параметри продуктів згоряння, що подаються для нагрівання повітря в рекуператорі. Для таких вимог, у поєднанні з необхідним принципом компактності застосований трубчастий рекуператор ширмового типу, який має можливість функціонувати в умовах екстремальних термічних навантажень, для чого використаний протитечійний принцип руху теплоносіїв. Для виключення можливих температурних перекосів і неоднорідностей при русі продуктів згоряння палива по робочих каналах перед двома паралельними каналами встановлено один ПВВС. У конкретній формі виконання АПСП петельні труби кожної секції ширм можуть бути виконані прямокутної форми, горизонтальні ділянки кожного ряду петельних труб ширми скріплені між собою для усунення вібраційних і резонансних явищ, а трубопроводи повітряних колекторів, що розташовані у зоні високих температур, встановлюються з можливістю переміщення для компенсації температурних деформацій. Для забезпечення технологічності конструкції із двох сторін теплообмінника розташовані короб, що роздає, для поділу потоку високотемпературної суміші (ВС) по каналах газоходу при вході в теплообмінник, і короб, що збирає, для з'єднання потоків на виході ВС із теплообмінника, а посередині газоходу в місці стикування колекторних труб розташований перехідний короб, причому короби виконані теплоізольованими. Для одержання ВС заданих параметрів ПВВС у сукупності може включати наступні елементи: паливний пристрій, циклонний передтопок, ГВС, вентилятор подачі повітря горіння, паливні колектори, а також паливонагрівач, виконаний у вигляді одноходового рекуперативного теплообмінника, що використовує ВС після теплообмінника для підігріву палива і розміщений за потоком ВС після теплообмінника, та з'єднаний із ГВС паливним колектором. На виході потоку ВС, що відпрацювала, встановлюється димосос для забезпечення тяги і видалення відпрацьованих продуктів згоряння. Запропонований варіант ПВВС - це комплекс устаткування, призначений для одержання ВС за рахунок спалювання низькокалорійних газів, таких як коксовий, шахтний метан, синтез-газ, генераторні, сланцеві, доменний гази. Паливний пристрій у комплекті із передтопком призначено для спалювання газу підземної газифікації без підсвічування. ГВС призначений для одержання суміші продуктів згоряння з повітрям на необхідному температурному рівні (до 1100 °C). Для забезпечення такої температури передбачений підігрів палива в паливонагрівачі за рахунок тепла ВС, що виходить з газоходів теплообмінника. Новизна і технічний результат корисної моделі також полягає в забезпеченні процесів теплопередачі від продуктів згоряння низькокалорійних палив для нагрівання стиснутого повітря стосовно скрутних умов розміщення контактних поверхонь. Єдиний транспортний модуль повітронагрівача необхідних параметрів створити виявилося практично неможливо. Тому запропоновано блочно-модульну конструкцію, що збирається на місці дислокації агрегату. АПСП, що виконаний за блочно-модульним принципом, може містити послідовно розташовані модуль ПВВС, блочно-модульний теплообмінник, основними елементами якого є 2 UA 88370 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 паралельні ширмові блоки № 1 і паралельні ширмові блоки № 2, кожний з яких включає ширмові пакети, розміщені в газоходах теплообмінника, з'єднані із ширмовими блоками і виконані у вигляді окремих блоків, короб, що роздає, перехідний короб, короб, що збирає, а також блоки трубопроводів. АПСП, що працює на низькокалорійних газах, може містити послідовно розташовані модуль ПВВС, що включає пальниковий пристрій, циклонний передтопок, ГВС, вентилятор подачі повітря горіння, паливні колектори, блочно-модульний теплообмінник, а також блок паливонагрівача з димососом, що монтують за теплообмінником. У окремій формі виконання корисної моделі кожний ширмовий блок (№ 1 і № 2) включає по два ширмових пакети, кількість ширм у пакеті 15 шт., колекторні труби ширм мають зовнішній діаметр 108 мм. Запропонований пристрій пояснюється наступними кресленнями. На фіг. 1 представлена принципова схема компонування основних блоків і модулів АПСП, і його з'єднання з комплексом повітряно-турбінної установки (ПТУ), на фіг. 2 - ширмовий блок № 1, на фіг. 3 - ширмовий блок № 2. АПСП містить ПВВС, конструкції якого можуть бути різні залежно від виду палива і розрахункових параметрів циклу та обрані з описаних у технічній літературі або спроектовані спеціально. В одному з варіантів здійснення корисної моделі АПВВ містить ПВВС 1, що працює за рахунок спалювання низькокалорійних газів і подає ВС у теплообмінник. ПВВС 1 містить пальниковий пристрій, циклонний передтопок, генератор високотемпературної суміші (ГВС), вентилятор подачі повітря горіння, паливні колектори. Пальниковий пристрій забезпечує подачу повітря в зону горіння, а також розігрів передтопка і генератора за допомогою вбудованого газомазутного пальника під час пуску повітронагрівача. Передтопок призначений для здійснення процесу спалювання палива без підсвічування і являє собою горизонтальний циліндричний циклон з вогнетривким обмуровуванням. ГВС призначений для вироблення суміші продуктів згоряння з повітрям на необхідному температурному рівні (до 1100 °C). Підтримка необхідної температури може відбуватися за рахунок підмішування в продукти згоряння певної кількості повітря з температурою 400 °C із турбіни ПТУ. Кінцевий коефіцієнт надлишку повітря на виході із ГВС становить порядку 3,0. Перед подачею у внутрішній об'єм ГВС для змішування із продуктами згоряння повітря додатково підігрівається при гвинтовому русі по зовнішній порожнині, що утворена між зовнішньою і внутрішньою циліндричною оболонкою ГВС. Теплообмінник є основним функціональним, матеріалоємним і трудомістким елементом агрегату, що забезпечує роботу ПТУ. Теплообмінник містить короб 2, що роздає, для поділу потоку по каналах газоходу. Усередині теплообмінника організовано два газоходи, де паралельно встановлені ширмові блоки 3 з рекуперативними трубними пучками, утворені основними елементами блоків 3 - ширмовими пакетами. Ширмові блоки та всі корпусні елементи теплообмінника мають вогнетривке обмуровування. Кожний ширмовий пакет містить 15 ширм. Кожна ширма пакета складається із двох секцій. У свою чергу, кожна секція набирається із двох рядів вигнутих петльових труб прямокутної форми, які своїми кінцями орієнтовані вгору і послідовно приварені до горизонтальної колекторної труби, яка одночасно підводить та відводить повітря до кожної ширми, горизонтальні труби кожної ширми з'єднані послідовно. Вертикальні частини петльових труб ширмового пакета створюють шаховий трубний пучок. Горизонтальні ділянки кожного ряду петльових труб ширми скріплюються між собою скобами із стрічкової сталі для усунення вібраційних і резонансних явищ. У теплообміннику забезпечений протитечійний характер руху теплоносіїв. Підвідний колектор, підключений до труб теплообмінника на виході газоходу, а колектор, що відводить, на його вході. Зверху на коробі, що збирає, і на коробі, що роздає ВС, встановлені трубопроводи в межах агрегату - розподільний і збиральний - для розподілу стиснутого повітря по ширмових блоках 3 і подальшого збору підігрітого повітря перед подачею його на турбіну ПТУ. Розподільний і збиральний трубопроводи повітряних колекторів розташовані в областях високих температур, у зв'язку із чим, вони сконструйовані і встановлюються з можливістю переміщення для компенсації температурних деформацій. При блочно-модульному виконанні агрегату теплообмінник містить паралельні ширмові блоки № 1 (фіг. 2) і ширмові блоки № 2 (фіг. 3), кожний з яких включає по два ширмових пакета. Першими по ходу ВС установлені ширмові блоки № 1 гладкотрубні, з яких на турбіну надходить повітря з максимальною температурою. Висока температура ВС, і протитечійний характер руху теплоносіїв поставили умови використання жароміцних сталей. У ширмовому 3 UA 88370 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 блоці № 1 у двох секціях кожної ширми 9 (Фіг. 2) загальна кількість петельних труб 10-18 штук. Петельні труби пакетів блока № 1 виконані з жароміцної сталі, призначеної для експлуатації при температурі 1150-1300 °C. Аналогічним образом влаштовані встановлені слідом ширмові блоки № 2 плавникові. Конструктивною відмінністю ширмових пакетів блока № 2 є наявність плавникового оребрення металевих смуг (плавців), приварених уздовж вертикальної частини петельних труб для збільшення поверхні нагрівання. Смуги на кожній трубі приварюються із двох протилежних сторін, паралельно руху димових газів. У ширмовому блоці № 2 у двох секціях кожної ширми 12 (Фіг. 3) загальна кількість петельних труб 13-13 штук. Петельні труби першого пакета блока № 1 виконані з легованої сталі, призначеної для експлуатації при температурі 580 °C, петельні труби другого пакета виконані з конструкційної сталі. Між ширмовими блоками № 1 і № 2 передбачений перехідний короб, призначений для з'єднання в єдиний ширмовий блок блоків № 1 і № 2, і огородження місця стикування колекторних труб блоків № 1 і № 2. На виході теплообмінник з'єднаний з коробом 4, що збирає, призначеним для з'єднання потоків на виході з теплообмінника. Після короба 4 за ходом ВС установлений блок паливонагрівача 5, у якому здійснюється підігрів паливного газу перед подачею його на спалювання в ГВС. Підігрів здійснюється за рахунок тепла ВС, що вийшла із ширмових блоків теплообмінника. Паливонагрівач являє собою одноходовий рекуперативний теплообмінник, основним елементом якого є шаховий трубний пучок. Газ, що нагрівається, рухається по трубах, а суміш, що гріє, обмиває їх зовні. Паливонагрівач 5 з'єднаний паливним колектором з ПВВС 1. Після паливонагрівача 5 установлений димосос (на кресленні не показаний) для створення тяги і видалення продуктів згоряння з агрегату. АПСП у комплексі із ПТУ працює таким чином. Паливо, низькокалорійні гази природного або штучного походження, спалюються в генераторі високотемпературної суміші ПВВС 1 із необхідною кількістю повітря, відібраного з турбіни ПТУ 7. ВС (димові гази), з температурою, що не перевищує 1100 °C (для безпечної експлуатації власних теплообмінних поверхонь), надходять у короб 2, що роздає, де, розділяючись на два паралельних потоки, спрямовуються в ширмові блоки 3 з рекуперативними трубними пучками. ВС, рухаючись у міжтрубному просторі по протитечійний схемі, віддає своє тепло стисненому повітрю, послідовно проходячи крізь всі секції ширмових блоків 3. Після чого поєднується в коробі 4, що збирає, у загальний потік і подається в паливонагрівач 5 на підігрів паливного газу, що йде до генератора високотемпературної суміші ПВВС 1. Після блока паливонагрівача 5 продукти згоряння видаляються з агрегату димососом. Стиснуте повітря від компресора ПТУ 7 по "холодному" підвідному колектору надходить до розподільного трубопроводу на виході газоходу (ширмових блоків № 2). А нагріте стиснуте повітря після збирального трубопроводу на вході газоходу по "гарячому" відвідному колектору спрямовується на турбіну ПТУ. На вихлопному патрубку турбіни здійснюється відбір частини гарячого відпрацьованого повітря, що направляється крізь трубопровід 6 за допомогою вентилятора (на кресленні не показаний) на горіння в ПВВС1. Інша частина відпрацьованого повітря надходить до димаря 8, де, змішуючись із продуктами згоряння, знижує їхню концентрацію та видаляється в атмосферу. Зважаючи на те, що очікується значна кількість скидного тепла, бажана установка блока теплоутилізатора (наприклад - газового підігрівача мережної води). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Агрегат підігріву стиснутого повітря, який містить теплообмінник рекуперативного типу, що включає установлені в газоході петельні теплообмінні труби, петлі яких розташовані одна в другій з утворенням плоских ширм, а також підвідний та відвідний повітряні колектори, який відрізняється тим, що він містить розташований перед входом у теплообмінник пристрій для вироблення високотемпературної суміші за рахунок спалювання малокалорійного палива, вентилятор подачі повітря для горіння в пристрій для вироблення високотемпературної суміші, димосос для подолання опору газоходу, при цьому теплообмінник, виконаний у вигляді модулів ширмових блоків, які формують газохід, при цьому ширмові блоки зібрані з пакетів плоских ширм. 4 UA 88370 U 5 10 15 20 2. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що вхід підвідного повітряного колектора розташований на виході газоходу, забезпечуючи протитечійний характер руху теплоносіїв, при цьому конструкція, матеріал і кількість петельних труб ширмових пакетів залежить від температурних і теплофізичних характеристик теплоносіїв, що змінюються при протитечійному характері руху, а вертикальні частини петельних труб пакета складають шаховий трубний пучок, виконаний із кроком, що забезпечує максимально можливу пропускну здатність і тепловіддачу високотемпературної суміші. 3. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що модулі теплообмінника виконані транспортабельними, з можливістю збирання на місці монтажу. 4. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що як паливо застосовують малокалорійні горючі речовини різного хімічного складу, різної калорійності та фізичного складу. 5. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій для вироблення високотемпературної суміші містить пальниковий пристрій, циклонний передтопок, генератор високотемпературної суміші, паливні колектори. 6. Агрегат за п. 5, який відрізняється тим, що він містить, розташований на виході з теплообмінника паливонагрівач, що використовує залишкове тепло високотемпературної суміші для підігріву палива. 7. Агрегат за п. 6, який відрізняється тим, що паливонагрівач, виконаний у вигляді одноходового рекуперативного теплообмінника і з'єднаний з генератором паливним колектором. 5 UA 88370 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6