ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГАЗА (ВАРИАНТЫ)
GAS HEATER (OPTIONS)

Изобретение относится к устройствам для нагревания газов или газожидкостных смесей с попутным производством электрической энергии, основанным на замкнутом органическом цикле Ренкина, термоэлектрическом эффекте Зеебека, и может быть использовано в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности.
Известна комбинированная тепло- и электрогенерирующая энергоустановка, состоящая из водогрейного котла районной тепловой станции (РТС), подключенного к контуру сетевой воды, включающему тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с насосом сетевой воды и к контуру с низкокипящим рабочим телом (НКРТ), включающему энергоустановку, турбину, электрогенератор, конденсатор, парогенератор, питательный насос, при этом энергоустановка снабжена дополнительно, по крайней мере, одним водогрейным котлом, который подключен параллельно водогрейному котлу РТС, соединен с тепловыми потребителями контура сетевой воды и подключен к тракту обратной сетевой воды через управляемый автоматический регулятор расхода, соединенный с конденсатором, а конденсатор размещен в тракте обратной сетевой воды, при этом в контуре низкокипящего рабочего тела размещен экономайзер, причем выход экономайзера по рабочему телу присоединен к входу парогенератора, по типу НКРТ - вода, а вход к выходу конденсатора (патент RU №151465, F01K 17/02, 2015).
Основным недостатком известной энергоустановки является применение водогрейного котла и, соответственно, сетевой воды в качестве теплоносителя для нагревания и охлаждения низкокипящего органического рабочего тела, что требует соответствующих процессов химической очистки и ограничивает область применения энергоустановки.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятым за прототип является подогреватель ПГ1000 с промежуточным теплоносителем, предназначенный для подогрева сероводородсодержащей смеси с целью предупреждения гидратообразования при ее дросселировании до необходимого давления, содержащий горелочное устройство, дымовую трубу, раму, на которой установлены шкаф газожидкостной смеси, шкаф топливного газа, теплообменник, на котором установлен расширительный бак, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, жаровую трубу, закрепленную в корпусе теплообменника, трубопровод подвода газожидкостной смеси, трубопровод отвода газожидкостной смеси, трубопровод подачи топливного газа, при этом жаровая труба соединена с дымовой трубой, трубопровод подвода газожидкостной смеси соединен с входным устройством змеевика, трубопровод отвода газожидкостной смеси соединен с выходным устройством змеевика, трубопровод подачи топливного газа соединен с горелочным устройством (Каталог продукции ГК «Космос-Нефть-Газ», http://www.kng.ru/prod/katalogKNG.pdf).
Недостатком известного подогревателя является отсутствие применения процесса когенерации, подогреватель используется лишь для подогрева газожидкостной смеси, при этом большая часть тепловой энергии, которую можно использовать для генерации электрической энергии, попросту теряется.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании подогревателя газа, способного осуществлять подогрев газов или газожидкостных смесей, а также попутно генерировать электрическую энергию, что в итоге позволит повысить эффективность процесса, а также свести к минимуму экономические затраты на электрическую энергию, необходимую для обеспечения работоспособности электрооборудования, входящего в состав подогревателя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что подогреватель газа содержит горелочное устройство, дымовую трубу, раму, на которой установлены шкаф газа или газожидкостной смеси, шкаф топливного газа, теплообменник, на котором установлен расширительный бак, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, жаровую трубу, соединенную с дымовой трубой и закрепленную в корпусе теплообменника, трубопровод подачи топливного газа, проходящий через теплообменник и связанный с горелочным устройством, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, скрепленный с входным устройством продуктового змеевика, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, связанный с выходным устройством продуктового змеевика, при этом подогреватель газа дополнительно содержит два теплообменных аппарата для организации фазовых переходов низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, ресивер, насос и турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, причем первый теплообменный аппарат, служащий для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела, соединен с дымовой трубой, а второй теплообменный аппарат, служащий для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела связан с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси, при этом полости теплообменных аппаратов с циркулирующим по ним низкокипящим рабочим телом соединены магистралями, образующими замкнутый контур с упомянутыми ресивером, насосом и турбиной.
Другой вариант решения поставленной задачи достигается тем, что подогреватель газа содержит горелочное устройство, дымовую трубу, раму, на которой установлены шкаф газа или газожидкостной смеси, шкаф топливного газа, теплообменник, на котором установлен расширительный бак, продуктовый змеевик, закрепленный в корпусе теплообменника, жаровую трубу, соединенную с дымовой трубой и закрепленную в корпусе теплообменника, трубопровод подачи топливного газа, проходящий через теплообменник и связанный с горелочным устройством, трубопровод подвода газа или газожидкостной смеси, скрепленный с входным устройством продуктового змеевика, трубопровод отвода газа или газожидкостной смеси, связанный с выходным устройством продуктового змеевика, при этом подогреватель газа дополнительно содержит термоэлектрический генератор, включающий в себя теплообменный аппарат холодного потока, теплообменный аппарат горячего потока и установленные между ними термоэлектрические генераторные модули, при этом теплообменный аппарат холодного потока соединен с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси, а теплообменный аппарат горячего потока расположен в дымовой трубе, наряду с этим подогреватель газа содержит два теплообменных аппарата для организации фазовых переходов низкокипящего рабочего тела в замкнутом цикле, ресивер, насос и турбину, кинематически связанную с ротором электрогенератора, причем первый теплообменный аппарат, служащий для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела, соединен с дымовой трубой, а второй теплообменный аппарат, служащий для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела связан с трубопроводом подвода газа или газожидкостной смеси, при этом полости теплообменных аппаратов с циркулирующим по ним низкокипящим рабочим телом соединены магистралями, образующими замкнутый контур с упомянутыми ресивером, насосом и турбиной, при этом термоэлектрический генератор связан с электрическим приводом насоса.
В вариантах исполнения предложенного устройства, с целью дополнительного охлаждения низкокипящего рабочего тела после срабатывания на турбине, между выходом турбины и входом второго теплообменного аппарата, использующегося для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела, установлен радиатор, причем для принудительного обдува упомянутого радиатора установлен вентилятор, кинематически связанный с турбиной.
Подогреватель газа (фиг. 1, фиг. 3) содержит теплообменник 4, заполненный промежуточным теплоносителем. Внутри теплообменника 4 закреплены жаровая труба 3, соединенная с горелочным устройством 2, дымовой трубой 5, трубопровод 1 подачи топливного газа, который также соединен с горелочным устройством 2, продуктовый змеевик 7, к которому присоединены трубопровод 6 подвода газа или газожидкостной смеси, трубопровод 8 отвода газа или газожидкостной смеси. Теплообменный аппарат (испаритель) 12, использующийся для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела, соединен с дымовой трубой 5, а трубопровод 6 подвода газа или газожидкостной смеси соединен с теплообменным аппаратом (конденсатором) 9, использующимся для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина. С целью организации работы замкнутого органического цикла Ренкина, подогреватель газа также содержит ресивер 10 для сбора и хранения рабочего тела, насос 11, турбину 13, кинематически связанную с электрогенератором 14.
В вариантах исполнения (фиг. 2, фиг. 4) подогреватель газа содержит теплообменник 4, заполненный промежуточным теплоносителем. Внутри теплообменника 4 закреплены жаровая труба 3, соединенная с горелочным устройством 2, дымовой трубой 5, трубопровод 1 подачи топливного газа, который также соединен с горелочным устройством 2, продуктовый змеевик 7, к которому присоединены трубопровод 6 подвода газа или газожидкостной смеси, трубопровод 8 отвода газа или газожидкостной смеси. С целью производства электрической энергии подогреватель газа снабжен термоэлектрическим генератором 15, включающим в себя теплообменный аппарат холодного потока и теплообменный аппарат горячего потока, между которыми установлены термоэлектрические генераторные модули, принцип работы которых основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, при этом теплообменный аппарат холодного потока термоэлектрического генератора 15 соединен с трубопроводом 6 подвода газа или газожидкостной смеси, а теплообменный аппарат горячего потока расположен в дымовой трубе 5. Теплообменный аппарат (испаритель) 12, использующийся для нагревания и газификации низкокипящего рабочего тела, соединен с дымовой трубой 5, а трубопровод 6 подвода газа или газожидкостной смеси, подключенный к выходному устройству теплообменного аппарата холодного потока термоэлектрического генератора 15, соединен с теплообменным аппаратом (конденсатором) 9, использующимся для охлаждения и конденсации низкокипящего рабочего тела замкнутого органического цикла Ренкина. С целью организации работы замкнутого органического цикла Ренкина, подогреватель газа также содержит ресивер 10 для сбора и хранения рабочего тела, насос 11, турбину 13, кинематически связанную с электрогенератором 14.
В вариантах исполнения подогревателя газа (фиг. 3, фиг. 4), с целью дополнительного отвода тепла при реализации замкнутого органического цикла, с турбиной 13 кинематически связан вентилятор 16. Перпендикулярно потоку воздуха, нагнетаемого вентилятором 16, установлен радиатор 17.
Подогреватель газа работает следующим образом.
В вариантах исполнения подогревателя газа (фиг. 1, фиг. 3) топливный газ поступает в подогреватель по трубопроводу 1 подачи топливного газа, проходит через теплообменник 4, где подогревается, после чего поступает в горелочное устройство 2, где происходит его сжигание. Образовавшиеся продукты сгорания проходят жаровую трубу 3, закрепленную в теплообменнике 4, отдавая тепло промежуточному теплоносителю, после чего поступают в дымовую трубу 5, проходят через теплообменный аппарат (испаритель) 12, после чего удаляются из дымовой трубы 5 естественной тягой в атмосферу. Газ или газожидкостная смесь по трубопроводу 6 подвода газа или газожидкостной смеси проходит через теплообменный аппарат (конденсатор) 9, после чего подается в продуктовый змеевик 7 теплообменника 4, нагревается от промежуточного теплоносителя и отводится из продуктового змеевика 7 по трубопроводу 8 отвода газа или газожидкостной смеси для прохождения дальнейшей технологической цепочки.
В вариантах исполнения подогревателя газа (фиг. 2, фиг. 4) топливный газ поступает в подогреватель по трубопроводу 1 подачи топливного газа, проходит через теплообменник 4, где подогревается, после чего поступает в горелочное устройство 2, где происходит его сжигание. Образовавшиеся продукты сгорания проходят жаровую трубу 3, закрепленную в теплообменнике 4, отдавая тепло промежуточному теплоносителю, после чего поступают в дымовую трубу 5, проходят через теплообменный аппарат (испаритель) 12 и теплообменный аппарат горячего потока термоэлектрического генератора 15, после чего удаляются из дымовой трубы 5 естественной тягой в атмосферу. Газ или газожидкостная смесь по трубопроводу 6 подвода газа или газожидкостной смеси поступает в теплообменный аппарат холодного потока термоэлектрического генератора 15 и проходит через теплообменный аппарат (конденсатор) 9, после чего подается в продуктовый змеевик 7 теплообменника 4, нагревается от промежуточного теплоносителя и отводится из продуктового змеевика 7 по трубопроводу 8 отвода газа или газожидкостной смеси для прохождения дальнейшей технологической цепочки. При этом электроэнергия от термоэлектрического генератора 15 подается, как минимум, на питание электрического привода (не обозначено) насоса 11.
Работа замкнутого органического цикла Ренкина осуществляется следующим образом (фиг. 1, фиг. 2). Из ресивера 10 под действием насоса 11 рабочее тело в жидком состоянии подается в теплообменный аппарат (испаритель) 12, где происходит его нагревание и газификация с повышением давления в системе. Далее рабочее тело в газообразном состоянии подается на турбину 13, где происходит процесс его расширения и преобразования части внутренней энергии в механическую работу. Крутящий момент с турбины 13 передается ротору электрогенератора 14, кинематически связанного с рабочим колесом турбины 13, для выработки электроэнергии. После срабатывания на турбине 13 рабочее тело направляется в теплообменный аппарат (конденсатор) 9, где происходит его охлаждение и конденсация в жидкую фазу. Сконденсировавшееся рабочее тело в жидком состоянии вновь поступает в ресивер 10.
В вариантах исполнения подогревателя газа (фиг. 3, фиг. 4) работа замкнутого органического цикла Ренкина осуществляется следующим образом. Из ресивера 10 под действием насоса 11 рабочее тело подается в теплообменный аппарат (испаритель) 12, где происходит его нагревание и газификация. Далее рабочее тело в газообразном состоянии подается на турбину 13, где происходит процесс его расширения и преобразования части внутренней энергии в механическую работу. Крутящий момент с турбины 13 передается ротору электрогенератора 14 и вентилятору 16, кинематически связанным с рабочим колесом турбины 13. После срабатывания на турбине 13 рабочее тело направляется в радиатор 17, где происходит его предварительное охлаждение потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором 16. Из радиатора 17 рабочее тело направляется в теплообменный аппарат (конденсатор) 9, где происходит его окончательное охлаждение и конденсация. Сконденсировавшееся рабочее тело в жидком состоянии вновь поступает в ресивер 10.
Таким образом, использование предложенного устройства для нагрева газов или газожидкостных смесей и попутного производства электрической энергии в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности позволит повысить эффективность процесса, а также свести к минимуму экономические затраты на электрическую энергию, необходимую для обеспечения работоспособности электрооборудования, входящего в состав подогревателя.