СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FLOW CONTROL AND DEVICE TO THIS END

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Устройство для перенаправления потока текучей среды в камере повышенного давления обеспечивает рабочие характеристики (качество) потока, конструктивные и экономические преимущества посредством использования решетки из плоских лопаток, устанавливаемой под углом относительно входного (восходящего) потока текучей среды так, что лопатки наклоняют относительно потока и, соответственно, перенаправляют поток в требуемом направлении. Устройство, также называемое «градуированная спрямляющая решетка», имеет широкую область применения и предлагает ряд эксплуатационных, конструктивных и экономических преимуществ для различных вариантов применения. В частности, помимо прочего, в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения устройство для перенаправления потока, рассматриваемое в настоящем документе, предназначено для использования в селективных каталитических реакторах, таких как реакторы, применяемые для очистки промышленных топочных газов.
[0002] По крайней мере, в одном варианте осуществления изобретения устройство для перенаправления потока текучей среды в камере повышенного давления с первого направления потока на второе направление потока включает поперечную решетку из плоских лопаток, устанавливаемую под углом относительно первого направления потока для перенаправления потока текучей среды с первого направления потока на второе направление потока. В данном контексте термин «поперечная» означает, что лопатки расположены по длине поперек направления потока, подлежащего перенаправлению. Таким образом, угол наклона представляет собой наклонную, градуированную поверхность относительно входящего /восходящего потока так, что наветренная сторона каждой лопатки в решетке перенаправляет часть потока в требуемом направлении.
[0003] В другом варианте осуществления изобретения метод выполнения поперечной решетки из плоских лопаток для перенаправления потока текучей среды в камере повышенного давления с первого направления потока на второе направление потока включает определение длины поперечной лопатки в зависимости от внутреннего поперечного сечения в некотором положении в камере повышенного давления, в которой должна быть установлена поперечная решетка, а также регулировку, по крайней мере, одного из значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, необходимых для получения требуемого качества потока текучей среды. Данный метод может включать регулировку угла лопатки посредством регулировки заданного угла установки поперечной решетки в камере повышенного давления.
[0004] В одном или нескольких таких вариантах осуществления изобретения регулировка, по крайней мере, одного из значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, необходимых для получения требуемого качества потока текучей среды, предусматривает моделирование потока текучей среды на основе имитационной модели поперечной решетки, оценку качества моделированного потока по одному или нескольким требованиям к качеству, а также регулировку одного или нескольких моделированных значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки до тех пор, пока показатели качества моделированного потока не будут соответствовать одному или нескольким требованиям к качеству потока. Подобная обработка данных может выполняться частично или полностью автоматически, например, посредством конфигурации имитационной модели с учетом расчетных параметров и указанием предпочтительных расчетными соотношениями (например, диапазон регулировки высоты лопатки относительно шага лопатки), а также конфигурации имитационной модели для определения конструкции решетки с учетом требований к качеству потока. Расчетные требования могут включать подробные данные о конструкции, включая размеры, допустимый вес решетки, подробные данные о конструктивном креплении/опорах, жесткости и т.д.
[0005] При прочтении нижеприведенного подробного описания, а также при изучении сопроводительных чертежей специалисты в данной области техники, несомненно, смогут выявить дополнительные признаки и преимущества.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] На Фиг.1 представлен упрощенный вид сбоку одного варианта осуществления изобретения поперечной решетки для перенаправления потока, изображенной в камере повышенного давления.
[0007] На Фиг.2 представлен упрощенный вид сбоку компонентов лопатки для одного или нескольких вариантов осуществления изобретения решетки, изображенной на Фиг.1.
[0008] На Фиг.3 представлен упрощенный вид в перспективе одного варианта осуществления изобретения поперечной решетки. В частности, изображены плоские лопатки для перенаправления потока.
[0009] На Фиг.4 представлен упрощенный вид сверху одного варианта осуществления изобретения поперечной решетки.
[0010] На Фиг.5 и 6 представлены логические блок-схемы, изображающие логическую последовательность обработки данных, которая может быть реализована в компьютерной системе, для одного или нескольких вариантов осуществления изобретения метода расчета поперечной решетки для перенаправления потока.
[0011] На Фиг.7-9 представлены чертежи установки, изображающие различные варианты осуществления изобретения поперечных решеток, устанавливаемых в камерах повышенного давления для использования в селективных каталитических реакторах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0012] На Фиг.1 представлена поперечная решетка 10, которая также называется «градуированная спрямляющая решетка» или просто «решетка 10». На чертеже показано, что решетка 10 включает множество расположенных на расстоянии друг от друга плоских лопаток 12. Решетка 10 предназначена для жесткой установки в камере повышенного давления 14 для перенаправления потока текучей среды с первого направления потока на второе направление потока. В частности, необходимо отметить, что изображенное новое устройство для перенаправления потока текучей среды обеспечивает высокое качество нисходящего потока по второму направлению потока, без необходимости использования дополнительных спрямляющих лопаток после решетки 10.
[0013] На чертеже представлен вид сбоку решетки 10. Необходимо отметить, что на чертеже изображен «вид с торца» на лопатки 12, при этом лопатки 12 расположены по длине поперек первому направлению потока. Кроме того, как показано на чертеже, на одном примере установки решетка 10 расположена в угловом положении или в точке соединения камеры повышенного давления 14, при этом первая секция камеры повышенного давления 16 направлена в первом направлении потока, а вторая секция камеры повышенного давления 18 направлена во втором направлении потока. Таким образом, в данном примере решетка 10 предназначена для перенаправления потока текучей среды в угловом соединении между первой и второй секциями камеры повышенного давления 16 и 18.
[0014] Понятно, что иллюстративный угол наклона для установки решетки 10 относительно первого направления потока является «углом раствора» углового соединения между секциями камеры повышенного давления 16 и 18. Понятно, что направленные против потока кромки лопаток 12 задают плоскость и, по крайней мере, в некоторых расчетных применениях, предпочтительно отрегулировать данную плоскость относительно диагональной линии угла 20, проходящей от внутреннего угла камеры повышенного давления 22 к внешнему углу камеры повышенного давления 24.
[0015] Несомненно, следует понимать, что могут применяться другие способы регулировки, при этом решетку 10 можно поднимать и опускать относительно осевой линии угла в процессе для «регулировки» с целью получения требуемого качества потока, удобства монтажа и т.д. Кроме того, угол решетки 10 относительно первого направления потока можно увеличивать и уменьшать для регулировки характеристик. В результате угол наклона необязательно будет соответствовать углам раствора от внутренней к внешней стороне. Более того, следует понимать, что решетка 10 может быть предусмотрена с возможностью изменения направления не только на 90 градусов (например, на угол менее 90 градусов) и что углы установки и угловое расположение могут варьироваться согласно требованиям к качеству потока и вопросам по механической части.
[0016] На Фиг.2 представлен увеличенный вид сбоку нескольких лопаток 12, включающий рассматриваемый вариант осуществления изобретения решетки 10. В частности, для простоты поиска, а не для введения ограничений, поперечные лицевые стороны каждой лопатки 12 можно назвать наветренными сторонами 30, направленными в сторону потока текучей среды в первом направлении потока, а противоположные - подветренными сторонами 32. Для ссылки в дальнейшем считается, что каждая лопатка 12 имеет обращенную по потоку (поперечную) кромку 34, соответствующую входному/восходящему первому направлению потока, и обращенную против потока (поперечную) кромку 36, соответствующую выходному/нисходящему второму направлению потока. Данные обращенные по потоку и против потока кромки лопаток 34 и 36 могут быть или не быть механически обработаны или сформованы в виде аэродинамического профиля. Действительно, необработанные прямые кромки, такие как у толстолистовой стали, обычно обеспечивают приемлемые рабочие характеристики. Тем не менее, некоторые установки с более высокими скоростями потока, лопатками большей толщины и т.д. могут получать преимущества от использования формованных кромок лопатки.
[0017] Что касается конфигураций решетки в целом, один или несколько вариантов осуществления изобретения решетки 10 основаны на высоте лопатки «h», измеряемой от обращенной по потоку кромки лопатки 34 к обращенную против потока кромке лопатки 36, значение которой находится в диапазоне примерно от шести до восемнадцати дюймов, а также на шаге лопаток «с» между смежными лопатками 12 решетки 10, значение которого находится в диапазоне примерно от трех до двадцати четырех дюймов. Кроме того, угол наклона - угол установки решетки 10 относительно первого направления потока - может быть выбран для расположения лопаток 12 в решетке 10 при угле лопатки θ в диапазоне примерно от минус двадцати пяти градусов до плюс двадцати пяти градусов.
[0018] Несомненно, независимо от того, настроены ли параметры в пределах вышеуказанных диапазонов, следует понимать, что решетку 10 можно «отрегулировать» согласно требованиям для рассматриваемой установки посредством регулировки одного или нескольких таких параметров. Подобная регулировка может фиксировать один или несколько таких параметров и изменять один или несколько других параметров для получения расчетного решения, которое обеспечило бы приемлемое качество потока, в то же время с учетом всех вопросов стоимости и механических параметров.
[0019] По крайней мере, в одном варианте осуществления изобретения предпочтительная высота лопатки «h» равняется или примерно равняется двенадцати дюймам, предпочтительный шаг лопаток «с» равняется или примерно равняется шести дюймам, а предпочтительный угол лопатки θ равняется или примерно равняется девятнадцати градусам. (На Фиг.2 показано, что угол лопатки измеряется между линией, проходящей от обращенной по потоку кромки лопатки 34 к обращенной против потока кромке лопатки 36, и линией, параллельной второму направлению потока). Таким образом, если второе направление потока является вертикальным, то предпочтительный угол лопатки равняется или примерно равняется девяноста градусам относительно вертикали. В более широком смысле, угол наклона решетки 10 выбирается так, чтобы обеспечить для каждой лопатки 12 решетки 10 угол лопатки θ в пределах от -25 градусов до +25 градусов (включительно) относительно второго направления потока. При этом, как поясняется, угол лопатки θ измеряется относительно второго направления потока с помощью линии, соединяющей обращенную по потоку и обращенную против потока кромки лопаток 34 и 36.
[0020] Рассматривая далее конфигурации решетки, в одном варианте осуществления изобретения высота лопатки, измеряемая от обращенной по потоку кромки лопатки 34 к обращенной против потока кромке лопатки 36, установлена примерно равной двойному значению шага лопатки, измеряемому между смежными лопатками 12 решетки 10. С математической точки зрения, h=2с. В другом варианте осуществления изобретения данное соотношение установлено равным 2,5, т.е. h=2,5с. По крайней мере, для некоторых установок предпочтительным является соотношение 2х, но следует понимать, что соотношение высоты и шага лопатки является возможным параметром регулировки и может измениться в ходе расчета решетки. Например, ограничения по весу и/или стоимости могут обусловить уменьшение количества лопаток. Следовательно, шаг лопаток увеличится для конкретных размеров решетки. В таких случаях, например, может быть изменен общий угол установки решетки и/или высота лопатки, чтобы скомпенсировать уменьшенное количество лопаток.
[0021] На Фиг.3 представлен упрощенный вид в перспективе лопаток 12 в рассматриваемой решетке 10. Особое внимание уделяется поперечному расположению по длине лопаток 12, а также показано отклонение потока текучей среды по наветренным поверхностям лопаток 30 с первого направления потока ко второму направлению потока. Хотя подветренная сторона 32 не показана на Фиг.3, один или несколько вариантов осуществления изобретения, рассматриваемые в настоящем документе, включают конструктивное ребро жесткости, встроенное или установленное иным образом на подветренных сторонах 32 лопатки 12. (Такое конструктивное ребро жесткости показано далее в настоящем документе и предназначено для широкого применения в селективных каталитических реакторах).
[0022] Что касается других механических и конструктивных аспектов, следует отметить, что термин «камера повышенного давления» используется в настоящем документе в широком смысле. Например, рассматриваемое определение включает, помимо прочего, заполненное текучей средой пространство в конструкции (например, газ, воздух и т.д.), и, в частности, трубопровод или другой канал для переноса потока текучей среды. Кроме того, если не указано иное, данный термин не обязательно обозначает непрерывный трубопровод. Например, первая закрытая конструкция (например, трубопровод) может выходить в другую закрытую конструкцию (например, пространство над каналом селективного каталитического реактора). Все или часть первой и второй конструкции могут рассматриваться как камера повышенного давления 14, в которой устанавливается решетка 10.
[0023] Кроме того, следует понимать, что признаки установки решетки 10 можно адаптировать для конкретных параметров камеры повышенного давления 14, в которой она устанавливается. Например, на Фиг.4 представлен вид сверху рассматриваемой решетки 10, где показано не только поперечное расположение лопаток 12, но также изображена рама по периметру 40, которая выступает в качестве держателя лопаток 12 и которая может использоваться для крепления решетки 10 в камере повышенного давления 14. Таким образом, в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения решетка 10 включает, по крайней мере, частичную раму по периметру 40 для конструктивного крепления решетки 10 в камере повышенного давления 14. Также следует понимать, что решетка 10 может включать две или несколько дополнительных решеток. Например, в случае очень больших поперечных сечений камеры повышенного давления может использоваться несколько небольших решеток 10 для образования более крупной решетки, охватывающей все необходимое внутреннее пространство. Таким образом, можно обеспечить, например, большую целостность конструкции, а также ограничить отдельные значения длины лопаток до практически более осуществимых значений.
[0024] Более того, следует понимать, что в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения лопатки 12 разнесены в решетке 10 через равные интервалы. Тем не менее, в одном или нескольких других вариантах осуществления изобретения лопатки 12 расположены в решетке 10 неравномерно. В других вариантах осуществления изобретения часть лопаток 12 может быть разнесена через равные интервалы, а другая часть расположена неравномерно. Такие варианты можно использовать для компенсации конструктивных неровностей, расположения препятствий и т.д.
[0025] Несомненно, все расчетные параметры можно настроить и отрегулировать согласно требованиям конкретной установки. Действительно, один из аспектов, рассматриваемых в настоящем документе, включает методологию расчета, согласно которой в результате компьютерного моделирования (и/или экспериментального масштабного моделирования) и регулировки параметров создается решетка 10, конфигурируемая в соответствии с конкретными требованиями установки. Такое моделирование может быть основано на моделировании методами расчетной гидродинамики и/или экспериментальном масштабном моделировании и может реализовываться полностью или частично в компьютерной системе, например, на ПК, оснащенном машиночитаемым носителем, включающем программные указания по применению метода регулировки решетки в рамках среды моделирования потока.
[0026] На Фиг.5 представлен один вариант осуществления изобретения подобного метода, в котором обработка данных «начинается» с ввода расчетных параметров (Блок 100). Такие требования могут быть представлены необходимым качеством потока во втором направлении, которое может выражаться в виде значений ламинарности, турбулентности и т.д. Такие требования обычно включают основные размеры камеры повышенного давления, параметры расхода, скорости потока и т.д. При наличии основных расчетных параметров метод расчета решетки 10 предусматривает определение длины поперечной лопатки L в зависимости от внутреннего поперечного сечения в некотором положении в камере повышенного давления 14, в которой будет устанавливаться решетка 10 (Блок 102). Обработка данных продолжается регулировкой, по крайней мере, одного из значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, необходимых для получения требуемого качества потока текучей среды (Блок 104).
[0027] Такая обработка данных может быть многократной, может использовать или запускаться сценариями или другими программными средствами управления, которые осуществляют ряд выборов расчетных параметров для одного или нескольких параметров регулировки решетки (например, высота, шаг, угол лопатки, общее количество лопаток и т.д.), пока не будут соблюдены расчетные параметры. И в этом случае подобная обработка данных может выполняться с помощью компьютерного моделирования в среде моделирования потока или с помощью экспериментального масштабного моделирования.
[0028] На Фиг.6 представлен один вариант осуществления изобретения при многократной регулировке решетки. Такая обработка данных может включать компоненты для Блока 104 на Фиг.5. Расчет решетки может быть начат с помощью значений по умолчанию или номинальных параметров решетки, таких как высота, шаг и угол лопатки по умолчанию (Блок 110). Обработка продолжается регулировкой любого одного или нескольких параметров на основании известных корректировок, таких как заданный шаг лопаток (Блок 112). Обработка продолжается запуском/оценкой соответствующей имитационной модели (Блок 114).
[0029] Этап оценки включает, например, сравнение моделированных качеств потока с расчетными требованиями. Если расчетные параметры соблюдены (в рамках определенного диапазона приемлемых значений) (Блок 116), обработка данных «прекращается». Если расчетные параметры не соблюдены, а также, если предел повторений или другие ограничения обработки данных не превышены (Блок 118), обработка продолжается регулировкой одного или нескольких параметров решетки и повторным запуском/повторной оценкой повторно отрегулированной имитационной модели (Блок 120). Такая многократная регулировка продолжается по мере необходимости или пока не будет превышено ограничение повторений.
[0030] В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения регулировка решетки 10 предусматривает настройку угла лопатки посредством настройки заданного угла установки решетки 10 в камере повышенного давления 14. В качестве альтернативного или дополнительного варианта регулировка включает настройку, по крайней мере, одного из значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, необходимых для получения требуемого качества потока текучей среды. И в этом случае подобная регулировка может предусматривать моделирование потока текучей среды на основе имитационной модели решетки 10, оценку моделированного качества потока в сравнении с одним или несколькими требованиями к качеству, а также регулировку одного или нескольких моделированных значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, пока показатели качества моделированного потока не будут соответствовать одному или нескольким требованиям к качеству потока. Также, как уже отмечалось, регулировка, по крайней мере, одного из значений высоты лопатки, шага лопатки и угла лопатки, необходимых для получения требуемого качества потока текучей среды, может предусматривать введение расчета поперечной решетки на основе значений высоты, шага и угла лопатки по умолчанию с последующей регулировкой одного или нескольких данных значений по умолчанию.
[0031] Такие значения по умолчанию могут быть основаны на регулировке значений высоты и шага лопатки по умолчанию согласно соотношению высоты лопатки к шагу лопатки примерно два к одному. Кроме того, диапазон регулировки одной или нескольких настраиваемых переменных может быть ограничен ранее указанными диапазонами высоты, шага и угла лопатки.
[0032] Учитывая подобную универсальность конструкции, на Фиг.7, 8 и 9 представлены примеры применения, в которых решетка 10 сконфигурирована для различных вариантов применения в селективных каталитических реакторах. В частности, на Фиг.7 особое внимание уделяется конструктивным ребрам жесткости с подветренной стороны лопаток 12, а также здесь отражены механические характеристики установки. На данных чертежах камера повышенного давления 14 включает обращенный по потоку компонент селективного каталитического реактора 50, а решетка 10 разработана для перенаправления газового потока в селективный каталитический реактор 50.
[0033] Тем не менее, решетка 10 не ограничена представленными примерами. В более общем смысле следует понимать, что вышеизложенное описание и сопроводительные чертежи представляют собой неограничивающие примеры методов, систем и отдельных устройств, рассматриваемых в настоящем документе. По существу настоящее изобретение не ограничено вышеизложенным описанием и сопроводительными чертежами. Напротив, настоящее изобретение ограничено только нижеследующими пунктами формулы изобретения и их юридическими эквивалентами.