АГРЕГАТ ПОДОГРЕВА СЖАТОГО ВОЗДУХА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована для оборудования газотурбинных электростанций в цикле генерации электрической энергии.
Рабочим телом в газотурбинных электростанциях (ГТЭ) служит разогретая газовоздушная смесь, образующаяся при сжигании высококалорийного природного газа, в настоящее время ставшего дефицитным и дорогостоящим топливом.
В настоящее время актуальным является разработка новых приводов ГТЭ работающих на доступных дешевых, малокалорийных видах топлива, или перевод существующих ГТЭ на упомянутые виды топлива.
Альтернативным решением для существующих газотурбинных электростанций (без последующих капитальных изменений в конструкции последних) может послужить нагрев сжатого в компрессоре ГТЭ воздуха до необходимых параметров в специальном воздухонагревателе, возвращаемого в рабочую зону ГТЭ для преобразования энергии разогретого сжатого воздуха в энергию турбины, которая через систему валопроводов вращает ротор генератора.
Из уровня техники известны устройства для нагрева воздуха.
Известен воздухонагреватель с жаротрубным теплообменником (RU 66800 U1, F24H 8/00, опубл. 27.09.2007), содержащий камеру сгорания, воздуховод цилиндрической формы, теплообменник, выполненный из вертикально расположенных в шахматном порядке труб, трубу для выхода продуктов сгорания.
Известен рекуперативный воздухонагреватель и горелочное устройство воздухонагревателя (RU 19143 U1, F24H 3/00, F24H 3/02, опубл. 10.08.2001), содержащий установленные на раме теплообменник с горелочным устройством, камерой сгорания, выхлопное устройство, вентилятор, коллекторы подвода воздуха и газа к горелочному устройству, топливную аппаратуру, силовой пульт. Теплообменник выполнен пластинчатым с образованием плоскопараллельных каналов отвода продуктов сгорания и чередующихся с ними воздушных каналов.
Известен воздухонагреватель рекуперативного типа [RU 2170883 С1, F23L 15/04, опубл. 20.07.2001], содержащий установленный в газоходе пакет труб, подключенный к разделенным перегородками подводящему и отводящему воздушным коробам, датчики температуры и регуляторы расхода воздуха с приводом и линией управления.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для подогрева воздуха отходящими газами на промышленных печах в металлургической промышленности - рекуператор [SU 1206564, F23L 15/04, опубл. 23.01.1986], содержащий установленные в газоходе с образованием продольных рядов U-образные теплообменные трубы, петли которых расположены одна в другой с образованием плоских ширм, а входные и выходные концы каждой петли заведены в полости входных и выходных коллекторов соответственно, концы петель теплообменных труб выполнены с переменной длиной.
Проведенный анализ уровня техники показал, что известные устройства подогрева воздуха не позволяют нагревать поток сжатого воздуха, поступающего из турокомпрессора до требуемых параметров газовоздушной смеси ГТЭ. Такой поток имеет параметры расхода воздуха около 20 кг/сек, давление сжатого воздуха около 1,0 МПа, температуру сжатого воздуха после компрессора - 300°С, температуру рабочего тела перед турбиной 900°С, рабочая температура продуктов сгорания до 1100°С.
Задачей полезной модели является создание агрегата для подогрева сжатого воздуха. Техническим результатом является обеспечение подогрева потока воздуха, сжатого до давления 1,0 МПа и имеющего температуру 300°С, до температуры не менее 900°С с использованием низкокалорийных топлив.
Задача решается тем, что агрегат подогрева сжатого воздуха (АПСВ) включающий теплообменник рекуперативного типа, содержащий установленные в газоходе петлевые теплообменные трубы, петли которых расположены одна в другой с образованием плоских ширм, подводящий и отводящий воздушные коллекторы, согласно полезной модели, содержит расположенное перед входом в теплообменник устройство для получения высокотемпературной греющей смеси (УВГС) за счет сжигания малокалорийного топлива, вентилятор подачи воздуха горения в УВГС, дымосос для преодоления сопротивления газохода, при этом теплообменник, выполнен в виде модулей ширмовых блоков, формирующих газоход, при этом ширмовые блоки собраны из пакетов плоских ширм.
Наилучший технический результат достигается в варианте исполнения, при котором вход подводящего воздушного коллектора расположен на выходе газохода, обеспечивая противоточный характер движения теплоносителей, при этом конструкция, материал и количество петлевых труб ширмовых пакетов зависит от изменяющихся при противоточном характере движения температурных и теплофизических характеристик теплоносителей, а вертикальные части петлевых труб пакета составляют шахматный трубный пучок, выполненный с шагом, обеспечивающим максимально возможную пропускную способность и теплоотдачу греющей смеси.
В предпочтительном варианте исполнения агрегата модули теплообменника выполнены транспортабельными, с возможностью сборки на месте монтажа.
Технический результат при реализации заявленного агрегата может достигаться при применении в качестве топлива малокалорийных горючих веществ различного химического состава, различной калорийности и физического состава, от чего зависит тип устройства генерирующего высокотемпературную греющую смесь (ГС).
В качестве варианта такого устройства, работающего на низкокалорийных газах, таких как коксовый, шахтный метан, синтез-газ, генераторный, сланцевый, доменный газы может использоваться УВГС, содержащее горелочное устройство, циклонный предтопок, генератор греющей смеси (ГГС), топливные коллекторы.
Наиболее эффективна работа такого устройства в совокупности с топливонагревателем, использующим остаточное тепло ГС для подогрева топлива, размещенным на выходе теплообменника.
Топливонагреватель, может быть выполнен в виде одноходового рекуперативного теплообменника и соединен с ГГС топливным коллектором.
АПСВ разработан для воздушно-турбинной установки (ВТУ), в которой в качестве рабочего тела используется предварительно сжатый и подогретый атмосферный воздух, который может подаваться в АПСВ по специальным коллекторным трубопроводам, обеспечивающим поддержание давления воздуха сжатого до рабочего давления турбины. Для обеспечения минимально возможного сопротивления давлению воздуха и максимально возможный теплообмен при нагреве сжатого циклового воздуха до требуемой температуры целесообразным является двухканальный вариант исполнения с параллельным расположением каналов. Величину площади проходных сечений и рабочих каналов теплообменника определяют тепловые, расходные и кинетические параметры продуктов сгорания, подающихся для нагрева воздуха в рекуператоре. Для таких требований, в сочетании с необходимым принципом компактности применен трубчатый рекуператор ширмового типа, который имеет возможность функционировать в условиях экстремальных термических нагрузок, для чего использован противоточный принцип движения теплоносителей.
Для исключения возможных температурных перекосов и неоднородностей при движении продуктов сгорания топлива по рабочим каналам перед двумя параллельными каналами установлено одно УВГС.
В конкретной форме выполнения АПСВ петлевые трубы каждой секции ширм могут быть выполнены прямоугольной формы, горизонтальные участки каждого ряда петлевых труб ширмы скреплены между собой для устранения вибрационных и резонансных явлений, а трубопроводы воздушных коллекторов, расположенные в областях высоких температур, устанавливаются с возможностью перемещения для компенсации температурных деформаций.
Для обеспечения технологичности конструкции с двух сторон теплообменника расположены раздающий короб для разделения потока ГС по каналам газохода при входе в теплообменник, и собирающий короб для соединения потоков на выходе ГС из теплообменника, а посредине газохода в месте стыковки коллекторных труб расположен переходной короб, причем короба выполнены теплоизолированными.
Для получения ГС заданных параметров УВГС в совокупности может включать следующие элементы: горелочное устройство, циклонный предтопок, ГГС, вентилятор подачи воздуха горения, топливные коллекторы, а также топливонагреватель, выполненный в виде одноходового рекуперативного теплообменника, использующего ГС после теплообменника для подогрева топлива, размещенный по потоку ГС за теплообменником, и соединенный с ГГС топливным коллектором. На выходе потока отработавшей ГС устанавливается дымосос для обеспечения тяги и удаления отработанных продуктов сгорания.
Предложенный вариант УВГС - это комплекс оборудования, предназначенный для получения ГС за счет сжигания низкокалорийных газов, таких как коксовый, шахтный метан, синтез-газ, генераторный, сланцевый, доменный газы. Горелочное устройство в комплекте с предтопком предназначено для сжигания газа подземной газификации без подсветки. ГГС предназначен для получения смеси продуктов сгорания с воздухом на требуемом температурном уровне (до 1100°C). Для обеспечения такой температуры предусмотрен подогрев топлива в топливонагревателе за счет тепла ГС, вышедшей из газоходов теплообменника.
Новизна и технический результат полезной модели также заключается в обеспечении процессов теплопередачи от продуктов сгорания низкокалорийных топлив для нагрева сжатого воздуха применительно к стесненным условиям размещения контактных поверхностей. Единый транспортный модуль воздухонагревателя для задаваемых параметров создать оказалось практически не возможно. Поэтому предложена модульно-блочная конструкция, которая собирается на месте дислокации агрегата.
АПСВ, выполняемый по блочно-модульному принципу, может содержать последовательно расположенные модуль УВГС, блочно-модульный теплообменник, основными элементами которого являются параллельные ширмовые блоки №1 и параллельные ширмовые блоки №2, каждый из которых включает ширмовые пакеты, размещенные в газоходах теплообменника, соединенные с ширмовыми блоками и выполненные в виде отдельных блоков, раздающий короб, переходной короб, собирающий короб, а также блоки собирающего и распределительного трубопроводов.
АПСВ, работающий на низкокалорийных газах, может содержать последовательно расположенные модуль УВГС, который включает горелочное устройство, циклонный предтопок, ГГС, вентилятор подачи воздуха горения, топливные коллекторы, блочно-модульный теплообменник, а также монтируемый за воздухонагревателем блок топливонагревателя с дымососом.
В конкретной форме выполнения полезной модели, каждый ширмовый блок (№1 и №2) включает по два ширмовых пакета, количество ширм в пакете 15 шт., коллекторные трубы ширм имеют наружный диаметр 108 мм.
Предложенное устройство поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема компоновки основных блоков и модулей АПСВ, и его соединение с комплексом воздушно-турбинной установки (ВТУ), на фиг. 2 - ширмовый блок №1, на фиг. 3 - ширмовый блок №2.
АПСВ содержит УВГС, конструкции которого могут быть различны в зависимости от вида топлива и расчетных параметров цикла, и выбраны из описанных в технической литературе или спроектированы специально.
В одном из вариантов осуществления полезной модели АПСВ содержит УВГС 1, работающий за счет сжигания низкокалорийных газов и подающий ГС в теплообменник.
УВГС 1 содержит горелочное устройство, циклонный предтопок, генератор греющей смеси (ГГС), вентилятор подачи воздуха горения, топливные коллекторы. Горелочное устройство обеспечивает подачу воздуха в зону горения, а также разогрев предтопка и генератора при помощи встроенной газомазутной горелки во время пуска воздухонагревателя. Предтопок предназначен для проведения процесса сжигания топлива без подсветки и представляет собой горизонтальный цилиндрический циклон с огнеупорной обмуровкой. ГГС предназначен для получения смеси продуктов сгорания с воздухом (греющей смеси) на требуемом температурном уровне (до 1100°C). Поддержание требуемой температуры может происходить за счет подмешивания в продукты сгорания определенного количества воздуха с температурой 400°C из турбины ВТУ. Конечный коэффициент избытка воздуха на выходе из ГГС составляет порядка 3,0. Перед подачей во внутренний объем ГГС для смешивания с продуктами сгорания воздух дополнительно подогревается при винтовом движении по наружной полости, которая образована между наружной и внутренней цилиндрической оболочкой ГГС.
Теплообменник является основным функциональным, материалоемким и трудоемким элементом агрегата, обеспечивающим работу ВТУ. Теплообменник содержит раздающий короб 2 для разделения потока ГС по каналам газохода. Внутри теплообменника организовано два газохода, где параллельно установлены ширмовые блоки 3 с рекуперативными трубными пучками, образованные основными элементами блоков 3 - ширмовыми пакетами. Ширмовые блоки и все корпусные элементы теплообменника имеют теплоизолирующую огнеупорную обмуровку.
Каждый ширмовый пакет содержит 15 ширм. Каждая ширма пакета состоит из двух секций. В свою очередь, каждая секция набирается из двух рядов изогнутых петлевых труб прямоугольной формы, которые своими концами развернуты вверх и последовательно приварены к горизонтальной коллекторной трубе, которая является подводящей и отводящей для каждой ширмы, горизонтальные трубы каждой ширмы соединены последовательно. Вертикальные части петлевых труб ширмового пакета составляют шахматный трубный пучок. Горизонтальные участки каждого ряда петлевых труб ширмы скрепляются между собой скобами из полосовой стали для устранения вибрационных и резонансных явлений.
В теплообменнике обеспечен противоточный характер движения теплоносителей. Подводящий коллектор подключен к трубам теплообменника на выходе газохода, а отводящий коллектор - на его входе. Сверху на собирающем и раздающем коробе установлены трубопроводы в пределах агрегата - распределительный и собирающий - для распределения сжатого воздуха по ширмовым блокам 3 и последующего сбора подогретого воздуха перед подачей его на турбину ВТУ. Распределительный и собирающий трубопроводы воздушных коллекторов расположены в областях высоких температур, в связи с чем, сконструированы и устанавливаются с возможностью перемещения для компенсации температурных деформаций.
При блочно-модульном исполнении агрегата теплообменник содержит параллельные ширмовые блоки №1 (фиг. 2) и ширмовые блоки №2 (фиг. 3), каждый из которых включает по два ширмовых пакета.
Первыми по ходу ГС установлены ширмовые блоки №1 гладкотрубные, из которых на турбину поступает воздух с максимальной температурой. Высокая температура ГС и противоточный характер движения теплоносителей поставили условие использования жаропрочных сталей. В ширмовом блоке №1 в двух секциях каждой ширмы 9 (фиг. 2) общее количество петлевых труб - 10-18 штук. Петлевые трубы пакетов блока №1 выполнены из жаропрочной стали, предназначенной для эксплуатации при температуре 1150-1300°C.
Аналогичным образом устроены установленные следом ширмовые блоки №2 плавниковые. Конструктивным отличием ширмовых пакетов блока №2 является наличие плавникового оребрения - металлических полос (плавников), приваренных вдоль вертикальной части петлевых труб для увеличения поверхности нагрева. Полосы на каждой трубе привариваются с двух противоположных сторон, параллельно движению дымовых газов.
В ширмовом блоке №2 в двух секциях каждой ширмы 12 (Фиг. 3) общее количество петлевых труб - 10-18 штук. Петлевые трубы первого пакета блока №1 выполнены из легированной стали, предназначенной для эксплуатации при температуре 580°C, петлевые трубы второго пакета выполнены из конструкционной стали.
Между ширмовыми блоками №1 и №2 предусмотрен переходной короб, предназначенный для соединения в единый ширмовый блок блоков №1 и №2, и ограждения места стыковки коллекторных труб блоков №1 и №2. На выходе теплообменник соединен с собирающим коробом 4, предназначенным для соединения потоков ГС на выходе из теплообменника.
После короба 4 по ходу ГС установлен топливонагреватель 5, в котором осуществляется подогрев топливного газа перед подачей его на сжигание в ГГС. Подогрев осуществляется за счет тепла ГС, вышедшей из ширмовых блоков теплообменника.
Топливонагреватель 5 представляет собой одноходовой рекуперативный теплообменник, основным элементом которого является шахматный трубный пучок. Нагреваемый газ движется по трубам, а греющая смесь омывает их снаружи.
Топливонагреватель 5 соединен топливным коллектором с УВГС 1. После блока топливонагревателя 5 установлен дымосос (на чертеже не показан) для создания тяги и удаления продуктов сгорания из агрегата.
АПСВ в комплексе с ВТУ работает следующим образом.
Топливо, низкокалорийные газы естественного или искусственного происхождения сжигается в генераторе греющей смеси УВГС 1 с необходимым количеством воздуха, отобранного из турбины ВТУ 7.
Греющая смесь (образовавшиеся дымовые газы), с температурой, не превышающей 1100°C (для безопасной эксплуатации собственных теплообменных поверхностей), поступает в раздающий короб 2, где, разделяясь на два параллельных потока, направляется в ширмовые блоки 3 с рекуперативными трубными пучками. ГС, двигаясь в межтрубном пространстве по противоточной схеме, отдает свое тепло сжатому воздуху, последовательно проходя сквозь все секции ширмовых блоков 3. После чего объединяется в собирающем коробе 4 в общий поток и подается в топливонагреватель 5 для подогрева топливного газа, идущего в генератор греющей смеси УВГС 1. После топливонагревателя 5 продукты сгорания удаляются из агрегата дымососом.
Сжатый воздух от компрессора ПТУ 7 по «холодному» подводящему коллектору поступает в распределительный трубопровод на выходе газохода (ширмовых блоков №2). А нагретый сжатый воздух после собирающего трубопровода на входе газохода по «горячему» отводящему коллектору направляется на турбину ПТУ.
На выхлопном патрубке турбины осуществляется отбор части горячего отработанного воздуха, который направляется через трубопровод 6 с помощью вентилятора (на чертеже не показан) на сжигание в УВГС 1. Другая часть отработанного воздуха поступает в дымовую трубу 8, где, смешиваясь с продуктами сгорания, снижает их концентрацию и удаляется в атмосферу. Учитывая то, что ожидается значительное количество сбросового тепла, желательна установка блока теплоутилизатора (например - газового подогревателя сетевой воды).