ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
EXHAUST DEVICE OF POWER PLANT

Изобретение относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки тепловой и электрической энергии.
Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2439778, МПК F02C 7/14, опубл. 20.03.09 г. Силовая установка с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды. Установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят параллельно соединенные топливопаровой и топливовоздушный теплообменники. Выход из регенеративного теплообменника через топливопаровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для воды.
Недостатки этой схемы - не предусмотрена очистка выхлопных газов и сложная система охлаждения.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2319772, МПК F02C 7/14, опубл. 20.03.09 г. Установка содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды. Установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят последовательно соединенные топливопаровой и топливовоздушный теплообменники. Выход из регенеративного теплообменника через топливопаровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для воды.
Недостаток - не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2320497, МПК B60R 6/00, опубл. 10.02.08 г. Силовая установка с регенерацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник. Выход из регенеративного теплообменника соединен через паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод подвода воздуха из-за компрессора, дефлектор на диске турбины.
Недостаток - не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2316440, МПК В61С 5/00, опубл. 10.02.08 г. Силовая установка с охлаждаемой турбиной и утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды, а выход соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.
Недостатки - не предусмотрена очистка выхлопных газов и система охлаждения турбины достаточно сложная.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2312231, МПК F01K 21/04, опубл. 10.12.07 г. Силовая установка с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.
Недостатки - не предусмотрена очистка выхлопных газов и низкий КПД установки из-за сжигания дополнительного топлива при низком давлении.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2312236, МПК F01K 15/02 опубл. 10.12. 07 г. Силовая установка с охлаждаемой турбиной и утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с емкостью для воды, отличается тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.
Недостаток - не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Известна силовая установка по патенту РФ №2272916 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно с системой охлаждения турбины.
Недостатки этой установки:
1. Сложность и высокая стоимость из-за наличия газотурбинного двигателя.
2. Низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям.
3. Не предусмотрены меры по уменьшению содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Известна энергетическая установка (газоперекачивающий агрегат) по патенту РФ на полезную модель №115846, МПК F01D 25/00, опубл. 10.05.2012 г., прототип.
Этот газоперекачивающий агрегат содержит турбоблок, в теплозвукоизолирующем контейнере которого расположены газотурбинный двигатель и центробежный компрессор для сжатия газа, включающий ротор, установленный в подшипниках и снабженный уплотнениями; воздухоочистительное устройство; выхлопную систему с выхлопной шахтой для удаления продуктов сгорания и шумоглушители, отличающийся тем, что центробежный компрессор выполнен многоступенчатым с возможностью обеспечения абсолютного давления газа на его выходе в диапазоне 1,5-25,0 МПа, газотурбинный двигатель, который вместе с всасывающим и выхлопным устройствами расположены на общей фундаментной раме, газотурбинный двигатель заключен в теплозвукоизолирующий кожух с элементами систем вентиляции, освещения, пожаротушения и газоанализа газоперекачивающего агрегата.
Недостатки - высокая эмиссия вредных веществ из-за отсутствия нейтрализатора газа и низкий КПД из-за аэродинамических потерь в системе глушения и большие (более 500°С) температуры выхлопных газов.
Известно выхлопное устройство энергетической установки по патенту РФ на полезную модель № 115843, МПК F04D25/00, опубл. 10.05.2012 г., прототип.
Это устройство содержит корпус, преобразующий горизонтальное движение потока выхлопных газов в вертикальное, вертикальную цилиндрическую шахту и шумоглушитель, установленный в ней, при этом шумоглушитель выполнен в виде установленных радиально кассет, содержащих пустотелый корпус, стенки которого перфорированы отверстиями, полость кассет частично заполнена катализатором.
Недостатки - низкое качество очистки выхлопных газов вследствие того, что при продольном обтекании выхлопные газы плохо проникают внутрь кассет.
Задачи создания изобретения: обеспечение качественной очистки выхлопных газов.
Достигнутые технические результаты - улучшение очистки выхлопных газов, снижение аэродинамического сопротивления шумоглушителя и теплообменника-утилизатора, снижение шума и повышение КПД установки.
Решение указанных задач достигнуто в выхлопном устройстве энергетической установки, содержащей корпус, преобразующий горизонтальное движение потока выхлопных газов в вертикальное, вертикальную цилиндрическую шахту и шумоглушитель, установленный в ней, при этом шумоглушитель выполнен в виде установленных радиально кассет, содержащих пустотелый корпус, стенки которого перфорированы отверстиями, полость кассет частично заполнена катализатором, отличающейся тем, что кассеты установлены под углом.
Внутри шахты может быть установлен теплообменник-утилизатор, который выполнен в виде секций, выполненных из труб, установленных внутри корпуса, перфорированного отверстиями. Секции теплообменника-утилизатора могут быть установлены под углом к оси выхлопной шахты. Секции и кассеты могут быть установлены под одинаковым углом к оси выхлопной шахты. Количество секции и кассет может быть выполнено одинаковым. Секции могут быть установлены за кассетами так, что их продольные оси расположены между продольными осями кассет. Секции могут быть установлены за кассетами так, что их продольные оси совмещены с продольными осями кассет. На выхлопной шахте за секциями или за кассетами может быть выполнен циклон-очиститель. Циклон-очиститель может быть выполнен в виде кольцевого коллектора, установленного на выхлопной шахте, соединенного отверстиями с полостью выхлопной шахты.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…25, где:
- на фиг.1 приведена схема установки выхлопного устройства,
- на фиг.2 приведен вид A,
- на фиг.3 приведен внешний вид кассеты,
- на фиг.4 приведен разрез B-B,
- на фиг.5 приведен разрез C-C, первый вариант
- на фиг.6 приведен разрез C-C, второй вариант,
- на фиг.7 приведен разрез C-C, третий вариант,
- на фиг.8 приведен разрез C-C, четвертый вариант,
- на фиг.9 приведено устройство с теплообменником-утилизатором,
- на фиг.10 приведен вид D,
- на фиг.11 - внешний вид секции теплообменника-утилизатора,
- на фиг.12 приведен вид E,
- на фиг.13 приведен разрез A-A,
- на фиг.14 приведен разрез G-G, первый вариант,
- на фиг.15 приведен разрез G-G, второй вариант,
- на фиг.16 приведен разрез G-G, третий вариант,
- на фиг.17 приведен график изменения коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании тубы,
- на фиг.18 приведен четвертый вариант секции теплообменника-утилизатора,
- на фиг.19 приведена схема устройства с паровой турбиной,
- на фиг.20 приведена система подачи воды к шумоглушителю,
- на фиг.21 приведена схема устройства с отбором выхлопных газов,
- на фиг.22 приведена выхлопная шахта с устройством закрутки потока,
- на фиг.23 приведена схема установки кассет под углом к вертикальной радиальной плоскости,
- на фиг.24 приведена конструкция выхлопной шахты с циклоном-очистителем, установленным после секций,
- на фиг.25 приведена схема устройства с паровой турбиной.
Выхлопное устройство энергетической установки (фиг.1…25) содержит свободную турбину 1, к выходу из которой присоединено выхлопное устройство 2 с выхлопной шахтой 3. При этом свободная турбина 1 имеет корпус 4, входной обтекатель 5, сопловой аппарат 6, рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8, установленное на валу 9, который установлен на опорах 10, выходной аппарат 11.
К валу 9 через муфту 12 присоединен вал 13 нагрузки 14 генератора электроэнергии или компрессора газоперекачивающего агрегата (ГПА).
В выхлопной шахте 3 установлен глушитель шума 15, который выполняет функцию нейтрализатора выхлопных газов. Глушитель шума 15 выполнен в виде кассет 16 (фиг.3) для удобства сборки и ремонта. Кассеты 16 установлены в выхлопной шахте 3 вдоль оси выхлопной шахты 3 и радиально (фиг.2).
Ниже кассет 16 снаружи выхлопной шахты 3 выполнена площадка обслуживания 17, предназначенная для обслуживающего персонала.
Кассеты 16 могут быть выполнены в виде корпуса 18, например, в форме прямоугольных параллелепипедов с полостью 19 внутри. Полость 19 частично заполнена катализатором 20, например материалом на основе графита. Частичное заполнение объема полости 19 кассет 16 катализатором 20 позволяет сохранить их шумоглушащие свойства. Корпус 18 кассет 16 перфорирован отверстиями 21, которые служат для сообщения полости 19 с полостью 22 внутри выхлопной шахты 3 (фиг.1) и одновременно предназначены для прохождения выхлопных газов внутрь них для очистки и непосредственно принимают участие в снижении уровня шума. Полость 19 частично заполнена минералом шунгит в виде кусков, служащих катализатором очистки. Диаметр отверстий 21 выполнен меньше размера кусков материала катализатора для исключения его высыпания при транспортировке и в работе.
При проектировании системы очистки выхлопных газов следует учитывать, что окислительные и восстановительные реакции, протекающие в каталитическом нейтрализаторе, наиболее эффективны (т.е. происходят с наиболее высокой скоростью) в узком диапазоне коэффициента избытка воздуха, близком к стехиометрическому (0,95-0,98). При этом происходит эффективная нейтрализация всех трех основных токсичных компонентов окиси азота, углеводородов и окиси углерода. Окись углерода и углеводороды окисляются с образованием конечных продуктов сгорания топлива углекислого газа и воды, а окись азота восстанавливается преимущественно в реакции с окисью углерода
2
2
2NO+2СО->>N+2CO
В трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах предельная температура выхлопных газов не должна превышать 800°C. При более 800°C происходит потеря активности катализатора, а при более 1100°C - оплавление блока каталитического вещества.
На фиг.3 приведен внешний вид кассеты 16, на фиг.4…8 наиболее детально представлены различные варианты кассет 16.
Кассета 16 (фиг.3 и 4) в первом варианте исполнения содержит торцовые грани 23 и 24. С торцовой гранью 24 соединено основание 25, имеющее ручку 26. Под основанием 25 установлена герметизирующая прокладка 27. На основании 25 выполнены отверстия 28 для монтажа.
Во втором варианте (фиг.5) на стороне корпуса 17, обращенной навстречу потоку газов, выполнено скругление 29. В третьем варианте вместо второй противоположной стороне корпуса 17 также выполнено скругление 30. В четвертом варианте (фиг.7) вместо скругления 29 выполнена острая кромка 31. В пятом варианте кассета 16 выполнена в виде аэродинамического профиля 32.
Возможна установка в полости 22 внутри выхлопной шахты 3 теплообменника-утилизатора 33, который состоит из секций 34, установленных радиально (фиг.9 и 10). Секции 34 имеют входные и выходные патрубки, соответственно 35 и 36, к которым подведены подводящий трубопровод 37 и отводящий трубопровод 38. Применение секций целесообразно для уменьшения веса сборочных единиц теплообменника-утилизатора 33 и для упрощения его ремонта.
Внешний вид секции 34 приведен на фиг.11. Секция 34 содержит (фиг.11…13): корпус 39, имеющий узкие боковые грани 40, торцовые грани 41 и 42. С торцовой гранью 42 соединено основание 43, имеющее ручку 44. Под основанием 43 установлена герметизирующая прокладка 45. На основании 43 выполнены отверстия 46 для монтажа. Во внутренней полости 47 установлены трубы 48. Корпус 39 имеет отверстия 49.
Во втором варианте (фиг.14) вместо узкой боковой грани 40, обращенной навстречу потоку газов, выполнено скругление 50, а вместо другой противоположно расположенной боковой грани 40 выполнено скругление 51. В третьем (фиг.15) варианте со стороны, противоположной потоку газа, выполнена прямоугольная щель 52 для выхода очищенного газа. В четвертом варианте (фиг.16) также выполнена прямоугольная щель 53 со стороны, обращенной к потоку газа.
В пятом варианте (фиг.18) приведена усовершенствованная конструкция секции 34, обладающая чрезвычайно высокой эффективностью теплоотдачи от выхлопных газов к стенке труб 48. Известно из книги М.А. Михеев и др., Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977 г., стр.104, что максимальное значение коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании трубы имеет место в точке, находящейся на оси движения потока, а на боковых поверхностях примерно в 4 раза ниже (фиг.17). Для того чтобы исправить этот недостаток, предложено применить отбортовки 54 в отверстиях 49 для интенсификации теплообмена. Снаружи выхлопной шахты выполнена вторая платформа 55 для обслуживания теплообменника-утилизатора 33 и замены секций 34.
На фиг.19…24 приведены различные варианты взаимного расположения кассет 16 и секций 34. Кассеты 16 могут быть установлены под углом 5…7 град к оси выхлопной шахты 3 для того, чтобы поток выхлопных газов более эффективно проходил внутрь кассет 16. Однако установка под углом более 7 град недопустима из-за возрастания аэродинамического сопротивления кассет 16. Также под углом 5…7 град могут быть установлены секции 34 теплообменника-утилизатора 33 (фиг.20). При этом возможна установка продольных осей кассет 16 и секций 34 со смещением (фиг.21) или с совмещением осей (фиг.22).
Возможна установка на выхлопной шахте 3 циклона-очистителя 56, который выполнен в виде кольцевого коллектора 57 с отверстиями 58, выходящими внутрь выхлопной шахты 3. На фиг.23 показан вариант с установкой циклона-очистителя 56 после кассет 16, а на фиг.24 - после секций 34.
Возможно применение паровой турбины 59, подсоединенной к отводящему трубопроводу 38 (фиг.25). Подводящий трубопровод 37 присоединен к баку воды 60 и содержит насос 61.
Паровая турбина 59 имеет конструкцию, представленную на фиг.25, и содержит переходник 62, корпус 63, входной обтекатель 64, сопловой аппарат 65, рабочее колесо 66 с рабочими лопатками 67, установленное на валу 68, установленный в свою очередь на опорах 69, выходной аппарат 70 и выхлопное устройство 71 с выходной трубой 72. К валу 68 при помощи муфты 73 присоединен вал 74, вторая нагрузка 75 (генератор или компрессор).
РАБОТА УСТАНОВКИ
Для запуска установки (фиг.1…25) подают выхлопные газы из газотурбинного двигателя (газотурбинный двигатель на фиг.1…25 не показан) на вход в свободную турбину 1. Раскручивается рабочее колесо 7 и вал 9, который через муфту 12 приводит во вращение вал 13 нагрузки 14.
При наличии паровой турбины 59 пар из теплообменника-утилизатора 33 подается в паровую турбину 59. Раскручивается рабочее колесо 66 с валом 67, который приводит во вращение вал 74 второй нагрузки 74.
Очистка выхлопных газов осуществляется катализатором 19 (фиг.3), через который проходят эти газы. По мере потери активности катализатора 19 кассеты 16 (фиг.1) заменяются. Площадка 37 улучшает условия труда и обеспечивает безопасность проведения работ.
Вторая площадка 54 используется для замены секции 34 теплообменника 33.
Применение в качестве катализатора 19 очистки углеродных материалов уменьшит стоимость оборудования и снизит затраты при его эксплуатации.
Применение изобретения позволило:
1. Создать автономную энергетическую установку, обеспечивающую потребителя одновременно электроэнергией и теплом.
2. Увеличить КПД установки:
- за счет применения блоков шумоглушения и секций телообменника-газификатора плоской формы, их особой компоновки в выхлопной шахте и совмещения функций шумоглушения и очистки в одном устройстве, за счет выполнения секций теплообменника-утилизатора такой конструкции, которая позволяет в несколько раз повысить коэффициент теплоотдачи от выхлопных газов к трубкам теплообменника-газификатора.
3. Снизить эмиссию вредных веществ в выхлопных газах за счет применения для очистки катализатора очистки - углеродных материалов.
4. Обеспечить удобство в эксплуатации и обеспечение безопасности работ при ремонте установки за счет применения платформ обслуживания.
5. Производить быструю замену кассет с катализатором очистки, по мере их загрязнения и быструю замену секций теплообменника-утилизатора.