ФУТЕРОВКА ВЫХЛОПНОЙ ТРУБЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к газотурбинной технике, в частности к выхлопным устройствам газотурбинных установок, а именно к дымовым трубам. Кроме того, высокотемпературный теплоизоляционный материал войлок «мокрый», элементы консольно-анкерного крепежа и технология футеровки могут быть широко использованы помимо труб для газотурбинных установок (ГТУ) в различных устройствах: крышки печей, дверцы, заслонки.
Известна дымовая труба, включающая железобетонный несущий ствол, футеровку из установленных с зазорами между собой штучных теплоизоляционных элементов и элементами крепления футеровки к стволу, отличающаяся тем, что с целью повышения долговечности и эксплуатационной надежности, труба снабжена гибким теплоизоляционным покрытием, установленным с внутренней стороны футеровки с заходом в швы между теплоизоляционными элементами, объединяющими теплоизоляционные элементы в пакеты вертикальными фиксирующими стержнями и окаймляющими пакеты элементами, при этом элементы крепления футеровки выполнены в виде горизонтальных парных кронштейнов. Кроме того, труба отличается тем, что парные кронштейны соединены с кольцевой арматурой несущего ствола (SU 1470920, А1, МПК-4 Е04Н 12/28, пр. 24.08.1987). Полезная модель относится к области строительства металлических самонесущих дымовых труб, и может найти применение при монтаже металлических самонесущих дымовых труб, работающих на самотяге с высокотемпературными дымовыми газами.
Газодинамические и температурные характеристики вытекающих газов в трубах, работающих на самотяге, ниже характеристик в трубах для газотурбинных установок, поэтому их конструкция и применяемые материалы могут существенно отличаться.
Известна металлическая самонесущая дымовая труба, содержащая ствол с футеровкой на внутренней поверхности из жестко смонтированных блоков, характеризующаяся тем, что блоки выполнены в виде модульных блоков из огнеупорного волокна. Эта труба характеризуется также тем, что модульные блоки выполнены в форме параллелепипедов из рулонного огнеупорного волокна, упакованного послойно «гармошкой» в технологическую оболочку с открытым верхом на стороне, обращенной к внутренней поверхности ствола дымовой трубы. При этом модульные блоки снабжены элементами для жесткого соединения с внутренней поверхностью ствола дымовой трубы, выполненными в виде металлических скоб с загнутыми под прямым углом к верхней части скобы концами, утопленными в модульный блок с просечкой слоев волокна, а верхняя часть скобы прилегает к боковой стороне блока с расположением поперечного элемента скобы в плоскости поверхности стороны модульного блока, обращенной к внутренней поверхности ствола дымовой трубы, для соединения с последней посредством сварки (RU, 90472, МПК Е04Н 12/28 (2006.01), заявка 2009122286, пр. 10.06.2009).
В патенте отмечается, что полезная модель обеспечивает снижение трудоемкости и упрощение монтажа металлической самонесущей дымовой трубы при выполнении футеровки из модульных блоков, выполненных из огнеупорного волокна:
- модульные блоки из огнеупорного волокна применимы для дымовых труб любых габаритных размеров без дополнительной обработки блоков. Монтаж модульных блоков в размер достигается за счет уплотнения блоков;
- модульные блоки имеют незначительный (малый) вес;
- модульные блоки могут быть изготовлены в заводских условиях;
- исключается необходимость в использование высококвалифицированного персонала на монтаже предлагаемых дымовых труб.
В патенте также отмечается, что футеровка металлической самонесущей дымовой трубы из модульных блоков, выполненных из огнеупорного волокна, обеспечивает и уменьшение теплопроводности футеровки, что улучшает эксплуатационные характеристики дымовой трубы. Кроме того, при монтаже футеровки из модульных блоков, выполненных из огнеупорного волокна, отсутствует пыль, и, таким образом, решаются и экологические проблемы.
Футеровка трубы по патенту РФ №90472 выполняется следующим образом:
- предварительно изготавливаются модульные блоки из рулонного муллитокремнеземистого (или базальтового) волокна путем упаковки его послойно «гармошкой» в технологическую оболочку, оставляя открытым верх на стороне, обращенной к внутренней поверхности ствола дымовой трубы;
- предварительно изготавливаются элементы для жесткого соединения модульных блоков с внутренней поверхностью ствола дымовой трубы в виде металлических скоб с загнутыми под прямым углом концами к верхней части скобы;
- упомянутые элементы монтируются на модульных блоках путем просечки концами металлических скоб слоев муллитокремнеземистого (или базальтового) волокна и расположением верхней части скобы на боковой стороне модульного блока, а поперечного элемента скобы в плоскости поверхности стороны модульного блока, обращенной к внутренней поверхности ствола дымовой трубы;
- модульные блоки, снабженные упомянутыми элементами для жесткого соединения с внутренней поверхностью ствола дымовой трубы, укладывают горизонтальными рядами;
- по ходу укладки модульных блоков поперечный элемент скобы приваривается к внутренней поверхности ствола металлической самонесущей дымовой трубы.
Модульные блоки и металлические скобы с загнутыми под прямым углом концами могут быть изготовлены в заводских условиях.
Техническое решение по патенту РФ №90472 планировалось использовать при строительстве металлической самонесущей дымовой трубы предлагаемой конструкции Н-75 м в ОАО «ММК» (стан 2000) г. Магнитогорск.
Как уже было нами отмечено, газодинамические и температурные характеристики вытекающих газов в трубах, работающих на самотяге, ниже характеристик в трубах для газотурбинных установок, поэтому их конструкция и применяемые материалы могут существенно отличаться. Так, согласно патенту РФ №90472, предлагаемая конструкция металлической самонесущей дымовой трубы работает на самотяге (при скорости дымовых газов до 10 м/сек.) с высокотемпературными (от 200°C и выше) дымовыми газами. Трубы газотурбинных установок работают при температурах 400-500°C и при более высоких скоростях выхлопных газов - до 40 м/сек. Кроме того, выполнение модульных блоков из рулонного муллитокремнеземистого (или базальтового) волокна в сухом виде (как в патенте №90472) путем упаковки его послойно «гармошкой» в технологическую оболочку применительно к футеровке выхлопных труб газотурбинных установок имеет определенные недостатки по надежности и долговечности футеровки в связи с тем, что в результате воздействия высокоскоростных газовых потоков модульный блок подвержен выдуванию и расслаиванию материала.
Известна выхлопная труба газотурбинной установки (а.с. 1235275, F02K 1/46, 1996 г.), содержащая отдельные царги, соединенные между собой с помощью фланцев, для охлаждения которой используется второй корпус, образующий с трубой пространство, продуваемое наружным воздухом. Такая конструкция является сложной и имеет низкие технико-экономические показателя.
Известна выхлопная труба газотурбинной установки, содержащая отдельные царги, соединенные между собой с помощью фланцев, характеризующаяся тем, что царги набраны в виде кольцевых секций, каждая из которых выполнена из отдельных секторов, установленных с перекрытием вертикальных разъемов и выполненных из огнеупорного материала, например, муллитокремнезема или базальтового волокна, на боковых и торцевых сторонах секторов и фланцев выполнены пазы и выступы, образующие замки, при этом сектора и фланцы соединены между собой шпильками, на которые надеты сектора секций с обеспечением их стыковки между собой и с фланцем по выступам и пазам (патент РФ №2208115, приор. 30.07.2001. МПК-7 Е04Н 12/28). Изобретение по патенту относится к газотурбинной технике, в частности к выхлопным устройствам газотурбинных установок (ГТУ), а именно к дымовым трубам.
Как описано в патенте 2208115, современные газоперекачивающие агрегаты (ГПА) и газотурбинные электростанции (ГТЭС) оснащаются ГТУ, разработанными на базе современных авиационных двигателей. Это обеспечивает принцип блочного построения ГПА и ГТЭС, позволяющий обеспечить поставку отдельных блоков любым видом транспорта в самые труднодоступные районы и произвести их быстрый монтаж на месте использования, что является немаловажным экономическим фактором. Неотъемлемой частью газотурбинной установки является выхлопная труба для отвода продуктов сгорания ГТУ в атмосферу. Высота таких труб порядка 15-20 м. Особенностью условий эксплуатации выхлопных труб ГТУ является высокая температура уходящих газов, достигающая 500°C, и агрессивность их компонентов. Для обеспечения работоспособности выхлопной трубы в таких условиях необходимо использовать термостойкие материалы.
К футеровке выхлопных труб ГТУ предъявляются особые требования, обусловленные характеристиками потока выхлопных газов, а именно: его динамикой, температурой и агрессивностью. Принимая во внимание необходимость достижения принципа блочности конструкции, что важно для монтажа в сложных условиях, а также исходя из конструктивных отличий и габаритных размеров выхлопных труб для ГТУ и труб, работающих на самотяге (если выхлопная ГТУ имеет высоту 15-20 м, то дымовая труба, работающая на самотяге, имеет гораздо большую высоту (например, по патенту РФ №90472 - 75 метров), решение по патенту РФ 2208111, касающееся трубы для ГТУ, принимается за прототип.
Решение по прототипу - патенту РФ 2208111 - является достаточно сложным. Толщина теплозащитного слоя достаточно велика, что приводит к увеличению газодинамических потерь на трение и местные сопротивления при движении высокоскоростного потока (35-40 м/с). В прототипе размеры секций огнеупорного материала ограничиваются возможностями технологического оборудования по их изготовлению.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении технических характеристик огнеупорного материала футеровки, существенном снижении температуры наружной поверхности трубы при температуре потока выхлопных газов 450-500°C, уменьшении толщины футеровки и, как следствие, снижении газодинамических потерь на трение и местного сопротивления, в получении возможности футеровки выхлопной трубы без ограничения максимального значения диаметра.
Технический результат заявляемой полезной модели обеспечивается решением задачи по созданию футеровки выхлопной трубы газотурбинной установки, включающей изделия из огнеупорного материала и средства для крепления материала к внутренней поверхности трубы, характеризующейся тем, что в качестве огнеупорного материала используется волокнистый высокотемпературный теплоизолятор войлок «мокрый» в виде монолитных полос с направленной ориентацией волокон перпендикулярно вектору теплового потока, при этом монолитные полосы материала удерживаются скобами различной конфигурации по принципу консольно-анкерного крепежа.
Согласно теории теплопроводности, под вектором теплового потока подразумевается вектор, направленный противоположно градиенту температуры, т.е. его направление совпадает с направлением переноса теплоты в сторону убывания температуры по нормали к изотермической поверхности. Применительно к заявляемой полезной модели вектор теплового потока направлен к боковой поверхности трубы перпендикулярно слою футеровки. При этом волокна монолитных полос теплоизолятора параллельны оси трубы.
При этом, в качестве огнеупорного материала используется волокнистый высокотемпературный теплоизолятор войлок «мокрый» (предельная температура применения 1200°C либо 1350°C в зависимости от марки материала).
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что монолитные полосы нарезаются из листов войлока «мокрого», изготовленных с ориентацией волокон в направлении технологической оси листов, при этом нарезка монолитных полос осуществляется вдоль направления волокон. Этот момент дополнительно поясняет ориентацию волокон в трубе, приведенную выше.
3
Волокнистый высокотемпературный теплоизолятор войлок «мокрый», используемый в заявляемой полезной модели, помимо труб для газотурбинных установок применяется в различных устройствах, в т.ч.: крышки печей, дверцы, заслонки. В случае использования рулонного волокнистого материала, могут использоваться следующие его параметры, взятые, например, из патента на полезную модель №100768 (заявка №2010118407 от 06.05.2010 г.) «Изделие из теплоизолирующего материала», автором и правообладателем которого является один из авторов по настоящей полезной модели. Это рулонный волокнистый материал длиной 500-2000 мм, шириной 300-600 мм, толщиной от 2 до 250 мм, плотностью от 300 до 600 кг/м, обеспечивающий предельную температуру применения 1200-1350°C в зависимости от марки материала и огнеупорностью изделия 1700°C.
3
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что в качестве изделия из огнеупорного материала используется изделие из теплоизолирующего материала на основе муллитокремнеземного волокна и неорганического связующего, представляющее собой рулонный волокнистый материал, пропитанный связующим, имеющий в сухом состоянии длину 500-2000 мм, ширину 300-600 мм, толщину 60-80 мм, плотность от 300 до 400 кг/м, обеспечивающий предельную температуру применения 1200°C или 1350°C в зависимости от марки материала и огнеупорность изделия 1700°C.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что монолитные полосы устанавливаются при сборке по периметру внутренней поверхности трубы параллельно оси трубы, срезанной поверхностью наружу.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что монолитные полосы устанавливаются при сборке по периметру внутренней поверхности трубы параллельно оси трубы срезанной поверхностью наружу, а в последней зоне сборки устанавливаются по внутреннему периметру трубы в плоскости, перпендикулярной ее оси.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что монолитная полоса может иметь на конце скос по длине для соединения с соответствующим скосом другой полосы с образованием непрерывной полосы на всю длину царги трубы.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что последняя зона сборки модульных блоков имеет ширину не более 60 (шестидесяти) сантиметров.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что монолитные полосы по меньшей мере на боковых сторонах и на стороне, примыкающей к внутренней поверхности трубы, промазываются в процессе сборки огнеупорным клеем.
Кроме того, футеровка выхлопной трубы характеризуется тем, что консольно-анкерный крепеж представляет собой использование элементов для жесткого крепления монолитных полос к поверхности трубы по основному периметру трубы в виде Т-образного крепежа, а в зоне последней сборки монолитных полос в виде Z-образного крепежа.
Технология футеровки внутренней полости выхлопной трубы ГТУ с использованием волокнистого высокотемпературного теплоизолятора войлок «мокрый», обладающего высокими техническими, технологическими характеристиками и целым рядом уникальных свойств, позволяет:
1. Обеспечить при малой толщине теплозащиты снижение температуры наружной поверхности трубы на порядок, при температуре потока выхлопных газов 450-500°C.
2. Замедлить падение температуры выхлопных газов по их ходу, что способствует улучшению естественной тяги и в результате - уменьшению энергии, затрачиваемой на выхлоп.
3. Снизить газодинамические потери на трение и местные сопротивления при движении высокоскоростного потока (35-40 м/с) за счет:
- малой толщины теплозащиты, с увеличением проходного сечения канала;
- гладкой и твердой (а не ворсистой и мягкой, как у других волокнистых материалов) рабочей поверхности футеровки; эти свойства поверхность приобретает после технологической сушки смонтированной футеровки;
- расположения блоков футеровки без поперечных стыков, создающих дополнительные сопротивление движению потока.
4. В прототипе размеры секций огнеупорного материала ограничиваются возможностями технологического оборудования по их изготовлению. В настоящей полезной модели имеется возможность футеровки выхлопной трубы без ограничения максимального значения диаметра.
5. Высокие теплоизоляционные свойства футеровки предохраняют от изменения цвета и отслаивания огнеупорной краски и удовлетворения жестких требований, предъявляемых к внешнему виду выхлопной трубы, на протяжении всего срока службы. Обеспечивается экономия огнеупорной краски и трудозатрат на подкрашивание элементов выхлопной трубы.
6. Блочный принцип монтажа футеровки и конструкция консольно-анкерного крепежа, используемого для соединения элементов футеровки, обеспечивает их плотное соединение между собой и надежное крепление к трубе. Глубокое залегание арматуры в слое теплозащиты исключает прямое воздействие горячего потока на крепеж и снижает потери теплопроводности из-за отсутствия тепловых коротких замыканий на корпус трубы-каркаса.
7. Возможен локальный ремонт поврежденных участков теплозащиты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами и фото, где:
Фиг. 1 - сечение трубы;
Фиг. 2 - вид А;
Фиг. 3 - скоба Т-образная;
Фиг. 4 - скоба Z-образная;
Фиг. 5 - фото фрагмента трубы в начале монтажа футеровки из монолитных полос войлока «мокрого».
Фиг. 6 - фото фрагмента трубы в конце монтажа футеровки из монолитных полос войлока «мокрого».
Согласно заявленной полезной модели, на выхлопной трубе газотурбинной установки 1 (фиг. 1), крепится на внутренней поверхности футеровка 2, состоящая из монолитных полос 3 из огнеупорного (высокотемпературного) теплоизоляционного материала, которые располагаются на внутренней поверхности трубы 4 параллельно ее оси и крепятся к трубе с помощью элементов консольно-анкерного крепежа: металлическими Т-образными скобами 5 - по большей части периметра трубы (фиг. 1, фиг.3 ), а на границах зоны S (фиг. 2) последней сборки монолитных полос - с одной стороны металлическим уголком 6 (металлический уголок извлекается в конце монтажа), а с другой стороны Z-образным крепежом 7 (фиг. 1, фиг. 4) посредством приварки скоб к внутренней поверхности трубы 4. Металлические скобы имеют загнутые под прямым углом заостренные концы. Монолитные полосы 3 выполнены в форме, как правило, длинного параллелепипеда. В качестве высокотемпературного теплоизолятора используется войлок «мокрый». Монолитные полосы 3 вырезаются из листов войлока «мокрого». Предлагаемая конструкция выхлопной трубы для газотурбинной установки работает при скорости дымовых газов до 40 м/сек с высокотемпературными (до 500°C) дымовыми газами, которые могут содержать агрессивные компоненты.
Монтаж футеровки выхлопной трубы осуществляется следующим образом.
1. Точечно приварить (прихватить) металлический уголок 6 по всей длине футеруемой поверхности параллельно оси трубы для предотвращения смещения материала во время футеровки.
2. Приклеить к футеруемой поверхности, опираясь на приваренный уголок, 2 слоя монолитных полос 3 войлока "мокрого" (к уголку 6 не приклеивать).
Торцевые стыки монолитных полос 3 войлока "мокрого" выполнять под углом.
Огнеупорный клей наносить на следующие поверхности монолитных полос 3 войлока "мокрого":
- поверхность, соприкасающаяся с поверхностью футеровки 4;
- торцы;
- боковые поверхности монолитных полос 3 войлока "мокрого" на половину высоты футеровки.
Клей наносить толщиной от 1 до 1,5 мм на каждую из склеиваемых поверхностей.
3. Врезать в монолитную полосу 3 войлока "мокрого" и приварить к корпусу трубы Т-образные скобы 5, как показано на схеме (фиг. 1 и 2).
4. Приклеить 2 слоя монолитных полос 3 войлока "мокрого", выполняя действия пункта 2, насаживая их на торчащие зубья Т-образных скоб 5.
5. Повторять пункты 3 и 4, постепенно прокручивая трубу по своей оси для удобства монтажа, до момента, когда до первого слоя монолитных полос 3 войлока "мокрого" останется менее 600 мм. Ряды Т-образных скоб 5 располагать в шахматном порядке.
6. Врезать в монолитную полосу войлока "мокрого" 3 и приварить к корпусу трубы Z-образные скобы 7, как показано на схеме (Фиг. 1).
7. Демонтировать ранее приваренный металлический уголок.
8. Приклеить 2 слоя монолитных полос 3 войлока "мокрого", выполняя действия пункта 2, к незафутерованной внутренней поверхности 4 трубы, возле торца. Слои должны располагать перпендикулярно ранее установленным слоям.
9. Повторять пункты 3 и 4 до полной футеровки внутренней поверхности 4 выхлопной трубы, выполняя действия, описанные в пункте 5.
10. Произвести сушку футеровки тепловой пушкой.
Ширина Т монолитной полосы определяется толщиной выбранного для нарезки листа войлока «мокрого», а его высота Н расчетными параметрами на каждую трубу. Расстояния А и В установки Т-образных скоб определяются также расчетным путем на каждую трубу в соответствии с техническим заданием.
Секции трубы длиной L футеруются в цехе, ангаре, другом помещении и располагаются в горизонтальном (лежачем) положении.
В настоящей полезной модели представлена единая технология футеровки высококотемпературным теплоизолятором войлок «мокрый» различных тепловых агрегатов, требующих термоизоляции с температурой до 1350 градусов (крышки печей, дверцы, заслонки и т.д.)
Заявляемая полезная модель планируется к использованию на объектах ОАО « ГАЗПРОМ».