УТИЛИЗАЦИОННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в различных областях промышленности при утилизации тепла вторичных энергоресурсов (ВЭР), в частности, тепла выхлопных газов газотурбинных установок, достаточно распространенных в настоящее время в различных отраслях промышленности в качестве приводов, или сбросного тепла различных плавильных печей, печей нагрева, другого технологического оборудования, работающего с образованием тепловых ВЭР.
Известны различные способы утилизации ВЭР (см., например, патент RU 2156368, опубл. 20.09.2000, МПК Р02С 1/00; патент RU 2162986, опубл. 10.02.2001, МПК F17D 1/02, F17D 1/07; патент RU 2351850, опубл. 10.04.2009, МПК F24D 11/02, F28D 1/00). В комплексах, реализующих известные способы, утилизацию ВЭР осуществляют путем передачи тепла от источника ВЭР к традиционному теплоносителю (рабочему телу), которым является вода и водяной пар.
Для энергетических установок, утилизирующих ВЭР с невысокой температурой, недостаточной для нагрева традиционных рабочих тел в качестве рабочего тела целесообразно применять низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах.
Поскольку НРТ в своем большинстве являются взрывопожароопасными веществами, между источником ВЭР и НРТ с целью повышения безопасности работы целесообразно включение промежуточного контура в качестве теплопередающего элемента.
Известна конструкция парогазовой установки, используемой в качестве утилизационного энергетического комплекса, принятая за прототип, применяемая в составе оборудования газоперекачивающего агрегата (см. технический паспорт газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16). Газотурбинные двигатели парогазовых установок являются мощными источниками тепловых ВЭР, однако температурный потенциал ВЭР недостаточно высок для нагрева традиционных рабочих тел (вода и водяной пар), особенно при эксплуатации установок в условиях низких температур. Поэтому в качестве рабочего тела в известных парогазовых установках, используемых в качестве утилизационных энергетических комплексов, целесообразнее применять НРТ, циркулирующее в теплообменных аппаратах различных конструкций. Также в состав известной парогазовой установки с НРТ входит паровая турбина, установленная на выходе теплообменных аппаратов с НРТ, воздушный конденсатор, циркуляционный насос и промежуточный контур в качестве теплопередающего элемента между ВЭР и НРТ. Промежуточный контур представляет собой достаточно сложную систему, включающую в себя один или несколько теплообменных аппаратов, систему трубопроводов, циркуляционный насос, систему компенсации потерь рабочего тела. Металлоемкость промежуточного контура может достигать 25% всей утилизационной энергетической установки, а также требует значительных затрат на эксплуатацию. Тем не менее, сооружение промежуточного контура необходимо для повышения безопасности работы комплекса с целью исключения рекуперативного теплообмена между ВЭР и НРТ.
Полезная модель направлена на создание утилизационного энергетического комплекса, в котором передача тепла от ВЭР к НРТ осуществляется без применения сложной системы промежуточного контура.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергопотребления комплекса, уменьшение его металлоемкости, упрощение конструкции, повышение безопасности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в утилизационном энергетическом комплексе, содержащем источник ВЭР, емкости с НРТ, теплопередающий элемент между ВЭР и НРТ (промежуточный контур), паровую турбину, воздушный конденсатор и циркуляционные насосы, согласно полезной модели, в качестве теплопередающего элемента между ВЭР и НРТ установлены тепловые трубы, при этом нижняя, испарительная, часть тепловых труб располагается внутри источника ВЭР, верхняя, конденсационная, часть тепловых труб введена в емкости с НРТ, а сами тепловые трубы расположены в шахматном порядке.
Установка тепловых труб в качестве теплопередающего элемента между ВЭР и НРТ позволяет исключить применение сложной системы промежуточного контура, обеспечивая тем самым снижение энергопотребления за счет отказа от циркуляционного насоса, снижение металлоемкости и затрат на эксплуатацию комплекса в целом, существенное упрощение конструкции и повышение безопасности работы комплекса. Достижение указанных преимуществ возможно в силу принципиальной особенности работы тепловой трубы, в которой тепло испарением моментально переносится с одного конца в другой с малыми градиентами температуры. Тепловые трубы не имеют движущихся частей, не потребляют энергии, не требуют обслуживания, обладают малым удельным весом, надежны и долговечны, могут иметь гибкую транспортную зону, работать против сил тяжести.
Шахматное расположение труб в теплообменнике обеспечивает существенное снижение гидравлического (аэродинамического) сопротивления со стороны как ВЭР, так и НРТ.
На чертеже представлена схема утилизационного энергетического комплекса (на примере утилизации ВЭР газотурбинного газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16).
Комплекс содержит газотурбинную установку 1, являющуюся источником ВЭР, и емкости 2 с НРТ. Емкости 2 располагаются в непосредственной близости от источника ВЭР, например, вдоль выхлопного тракта (выхлопной шахты) газотурбинной установки 1. В выхлопную шахту газотурбинной установки 1 нижней частью введены тепловые трубы 3, являющиеся герметизированными. Верхняя часть тепловых труб 3 расположена в емкостях 2 с НРТ. Испарительная часть тепловых труб 3 ориентирована ниже их конденсационной части, что за счет действия гравитационных сил повышает эффективность работы тепловых труб. Тепловые трубы 3 установлены в шахматном порядке. Подбор рабочего тела, материала корпуса и фитиля тепловых труб 3 необходимо вести с учетом уровня температур греющей (ВЭР) и нагреваемой (НРТ) сред. Между выхлопной шахтой газотурбинной установки 1 и емкостями с НРТ 2 устроен теплоизоляционный слой (на схеме не показан).
На выходе теплообменный аппарат 2 подключен к паровой турбине 4. В схему включены воздушный конденсатор 5 и циркуляционный насос 6.
Утилизационный энергетический комплекс работает следующим образом.
Поступающий из выхлопного тракта газотурбинной установки 1 поток ВЭР омывает испарительную (нижнюю) часть тепловых труб 3, отдает им свое тепло и сбрасывается во внешнюю среду. Рабочее тело, заполняющее тепловые трубы 3, нагревается до кипения и начинает испаряться. Пары поднимаются по тепловым трубам 3 в их конденсационную (верхнюю) часть, где, конденсируясь, отдают тепло низкокипящему рабочему телу в емкостях 2. НРТ нагревается и кипит с образованием паров. Пары НРТ из теплообменного аппарата 2 направляются в паровую турбину 4, где, расширяясь совершают механическую работу. Снятая с вала паровой турбины 4 механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию или использована для других целей.
Отработавшее в паровой турбине 4 НРТ направляется в воздушный конденсатор 5, в котором конденсируется и циркуляционным насосом 6 направляется обратно в емкости 2.
Цикл является замкнутым.