ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГАЗА АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности к подогревателям газовым автоматизированным и может быть использована преимущественно для нагрева газа, например в газовой промышленности - для комплектации газораспределительных пунктов и станций, блоков подготовки топливного и пускового газа.
Известен подогреватель газа (патент РФ №2061200 по кл. F24Н 3/08, опуб. 1996 г.), содержащий корпус, змеевик, состоящий из горизонтальных труб, соединенных приварными калачами, горелок, размещенных на боковой стене топки, перевальной стенки, разделяющей топку и конвективную камеру, дымовой трубы, подключенной к выходному газоходу. Нижняя часть топки имеет внутреннюю обшивку, с поверхности которой через штуцер конденсат водяных паров отводится за пределы топки.
Недостатком данной конструкции является неравномерность нагрева горелками теплообменных труб (змеевика) по длине и периметру и, следовательно, снижение их срока службы. Отсутствуют технические решения по использованию конденсата водяных паров для генерации в топке подогревателя парогазовой смеси (смеси дымовых газов и перегретого водяного пара), что также снижает надежность работы подогревателя (увеличивает риск воспламенения в топке возможных утечек нагреваемого продукта).
Известен также подогреватель газа (патент РФ №2225964 по кл. F24Н 3/08, опуб. 2004 г.), содержащий корпус с горизонтальным разъемом, топочный объем в котором отделен вкладышем от воздушного канала, соединенного с воздухонагревателем рекуперативным, расположенным над корпусом, под закрепленной на нем дымовой трубой, теплообменник с вертикальным расположением теплообменного модуля и горизонтальным расположением входного и выходного коллекторов, горелочное устройство, соединенное с обвязкой горелки, входной патрубок обвязки подключен к выходному коллектору теплообменника.
Недостатком данного устройства, является отсутствие технических решений по использованию конденсата водяных паров для генерации в топке подогревателя парогазовой смеси, а также отсутствие решений по отводу избыточного конденсата водяных паров из топки. Указанный недостаток приводит к снижению надежности эксплуатации подогревателя (возможности воспламенения утечек газа в топке) и снижению его тепловой экономичности (так как теплота конденсации водяных паров на теплопередающей стенке модуля не используется для нагрева газа).
Полезная модель направлена на решение задачи создания подогревателя газа автоматизированного, надежного в эксплуатации и имеющего повышенный тепловой КПД за счет использования теплоты конденсации водяных паров.
Для решения поставленной задачи подогреватель газа отличается тем, что теплообменник состоит из нескольких рядов подключенных параллельно теплообменных модулей, объединенных горизонтальными входными и выходными коллекторами, на нижней части каждого из теплообменных модулей размещены воронки, под каждым рядом модулей параллельно днищу корпуса, внутри него, с зазором между днищем и относительно друг друга размещены поддоны, объединенные в нижней их части съемными конденсатопроводами, причем один из поддонов имеет штуцер для отвода конденсата водяных паров, распределители газовоздушной смеси горелок расположены над зазорами между боковыми стенками поддонов, а оси отверстий в горелках для выхода газовоздушной смеси направлены на днища поддонов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез подогревателя, на фиг.2 - вид А, со стороны обвязки горелок, на фиг.3 - вид на подогреватель сверху на рис.4 - схема обвязки горелок подогревателя газа (схема размещения средств защиты, измерения, контроля и автоматического управления подогревателем); на фиг.5 - схема горелки):
Подогреватель газа содержит следующие основные узлы и устройства
- корпус 1 с горизонтальным разъемом, внутри которого размещены вкладыши 2 (отделяющие от топочного объема каналы для подачи воздуха к горелкам);
- воздухонагреватель рекуперативный 3, размещенный над корпусом 1, на его горизонтальном разъеме;
- дымовую трубу 4, установленную на верхней части воздухонагревателя;
- теплообменник 5 (трубчатую поверхность нагрева), содержащий входной горизонтальный коллектор 6 и выходной горизонтальный коллектор 7, к которым подключены штуцеры Г1 и Г2 (соответственно для входа и выхода нагреваемого газа) и вертикальнотрубные теплообменные модули 8, в нижней части оборудованные воронками 9;
- поддоны испарителя 10, установленные на поду топки под воронками каждого из теплообменных модулей;
- трубопроводы конденсатные соединительные 11, подключенные к нижней части поддонов и сообщающие их друг с другом;
- штуцер для отвода конденсата 12, подключенный к нижней части одного из поддонов;
- горелки 13, подключенные к обвязке 14 и установленные над зазорами между соседними поддонами;
- обвязку горелок 14 (арматурный блок для управления подачей газа на горелки, контролируемый блоком автоматического управления), вход газа в которую подключен к выходному коллектору теплообменника;
- блок автоматического управления 15;
- шибер воздушный поз.16;
- клапаны запорные с ручным управлением 17, 18, 19, 20, 21, 22;
- «свечи» для продувки газа поз.23 и 24;
- фильтр газовый 25;
- клапаны электромагнитные запорные 26, установленные перед каждой из горелок;
- клапан электромагнитный предохранительный 27;
- клапан регулирующий 28;
- клапан регулирующий с ручным управлением 29;
- клапаны запорно-регулирующие с ручным управлением 30, установленные перед каждой из горелок;
- электрозапальники 31, для индивидуального розжига каждой из горелок;
- датчики наличия пламени 32, установленные на каждой из горелок;
- датчик разрежения в топке 33;
- датчик входного давления газа 34;
- датчик давления газа после регулятора 35;
- датчики давления газа 36 перед каждой из горелок;
- узел подключения переносного газового запальника 37;
- датчик сигнализатора загазованности поз 38;
- датчик температуры уходящих дымовых газов 39;
- датчик температуры нагретого газа 40;
- датчик температуры газа перед горелками 41;
- датчики температуры стенки 42 каждого из модулей теплообменника;
- датчик температуры поддона 43;
- щитки съемные 44;
- заслонки поз.45;
- шкаф теплоизолированный 46 (укрытие обвязки горелок);
- датчик перепада давления нагреваемого газа 47.
Подогреватель газовый автоматизированный (показан четырехгорелочный вариант, принцип действия подогревателей с другим числом горелок аналогичен) работает следующим образом.
После открывания клапанов электроприводных ЗД1 и ЗД2, установленных, соответственно, на подающем и на отводящем газопроводах (см. фиг.4) нагреваемый природный газ поступает на входной патрубок Г1 (см. фиг.1) теплообменника 5.
Из входного коллектора 6 нагреваемый газ подается в параллельно подключенные трубы теплообменных модулей 8. Во внутритрубном пространстве модулей происходит нагрев газа. Нагрев газа происходит за счет его конвективного теплообмена с внутренней поверхностью стенок труб теплообменника. Интенсификация нагрева газа и обеспечение соответствия допустимых и фактических теплонапряжений трубной теплопередающей поверхности модулей осуществляется за счет многоструйного распределения газа внутри теплообменника.
Выходящий из теплообменных модулей нагретый газ подается в выходной коллектор 7, из которого газ выводится через выходной патрубок Г2.
Технологические измерения параметров нагреваемого газа на входе и на выходе теплообменника: давления, перепада давлений, температуры осуществляются датчиками и средствами САУ подогревателя газа (см. фиг.4):
- Давление на выходе из теплообменной поверхности подогревателя измеряется датчиком ДМ1.
- Перепад давления нагреваемого газа в теплообменнике измеряется датчиком ДМ4.
- Температура нагреваемого газа на входе подогревателя измеряется датчиком ТП2.
- Температура нагретого газа на выходе подогревателя измеряется датчиком ТП3.
- Системой автоматического управления (САУ) индицируется также результат расчета технологического параметра - расход нагреваемого в подогревателе газа.
Наружный обогрев труб теплообменника 5 осуществляется парогазовой смесью, обладающей огнегасящими свойствами. Основными ее компонентами являются азот, углекислый газ и перегретые водяные пары. Содержание кислорода в парогазовой смеси, контактирующей с наружной поверхностью труб теплообменника, при работе поддерживается на уровне, недостаточном для свободного горения возможных утечек газа при разгерметизации теплообменника. Концентрация кислорода, необходимая для безопасной работы подогревателя газа, устанавливается при пусконаладочных работах путем регулирования положения воздушного шибера 16 при одновременном контроле содержания кислорода в парогазовой смеси. В дальнейшем указанная концентрация кислорода, не превышающая 2% объемн., обеспечивается (благодаря применению инжекционных горелок) практически постоянной в рабочем диапазоне регулирования подогревателя.
Таким образом, конструкция подогревателя обеспечивает нагрев газа в подогревателе без прямого воздействия пламени горелок на стенки труб теплообменника. Передача теплоты к стенкам труб производится без их локальных перегревов и осуществляется с помощью промежуточной среды - парогазовой смеси, обогащенной перегретым водяным паром.
Для предотвращения перегрева труб теплообменника 5 с помощью САУ и датчиков 42 (см. фиг.1) осуществляется непрерывный контроль температуры стенки каждого из теплообменных модулей и автоматическая их защита.
Генерация парогазовой смеси и ее равномерное распределение по наружной поверхности труб теплообменника осуществляется в нижней части топочного объема подогревателя газа, в которой размещены инжекционные горелки 13 (см. фиг.1 и 2) и поддоны 10. В стационарном режиме работы подогревателя газа топливный газ, поступающий из обвязки горелок 14, равномерно распределяется на все четыре горелки 13. Топливный газ, истекающий из сопел горелок в их газораспределители, инжектирует в их смесителях первичный воздух. Образовавшаяся газо-воздушная смесь из газораспределителей истекает через два ряда отверстий, оси которых направлены на нижнюю часть поддонов. Струи первичной газо-воздушной смеси смешиваются со вторичным воздухом, поступающим к ним через зазоры между соседними поддонами. Горение образовавшейся газовоздушной смеси происходит на внутренней поверхности поддонов в виде системы равномерно распределенных объемно-настильных факелов. Сжигание топливного газа на внутренней поверхности поддонов позволяет испарять из них конденсат водяных паров, перегревать водяные пары и смешивать их с продуктами полного сгорания топливного газа. Образующаяся при этом парогазовая смесь имеет повышенную концентрацию водяных паров и обладает улучшенными огнегасящими свойствами, по сравнению с обычными продуктами сгорания топливного газа.
Равномерное распределение парогазовой смеси на входе в трубный пучок теплообменника обеспечивается благодаря равномерному размещению поддонов, горелок и факелов горелок по всему поперечному сечению топки. Дополнительную равномерность распределения парогазовой смеси, а также экранирование труб теплообменника от теплового излучения факелов и поддонов, обеспечивают также воронки 9, размещенные на нижних участках вертикальных труб теплообменных модулей 8.
Парогазовая смесь, поступающая вверх, в трубный пучок теплообменника, обогревает внешнюю поверхность труб (которые изнутри охлаждаются нагреваемым газом), при этом часть водяных паров (в основном режиме, при средней температуре стенки труб ниже температуры конденсации - «точки росы») конденсируется на поверхности. При этом капли конденсата стекают вниз, во внутреннюю полость воронок 9. В воронках отдельные капли и струи водяного конденсата объединяются и
стекают вниз, на днище поддонов, исключая разбрызгивание и попадание конденсата на под топки подогревателя.
Для поддержания одинакового уровня водяного конденсата, «зеркала испарения», на днищах всех поддонов, все поддоны внизу соединены трубопроводами конденсатными 11. Избыточное количество конденсата, при необходимости, может отводиться в промканализацию из поддонов через штуцер для отвода конденсата 12. (Через указанный штуцер при пуске подогревателя газа в теплое время года, целесообразно одноразово, до начала генерации водяного конденсата, заливать небольшое количество технической воды, чтобы ее уровень не превышал уровень установки переливного штуцера 12. При этом образование парогазовой смеси в топке подогревателя газа происходит практически одновременно с включением горелок в работу.)
Контроль температуры днища одного из поддонов (показателя эффективности генерации парогазовой смеси), установленного под первой из горелок осуществляется с помощью датчика температуры 43 (фиг.1).
Парогазовая смесь, проходя снизу вверх топку подогревателя, в которой размещен теплообменник 5, отдает большую часть располагаемой теплоты газу, нагреваемому в теплообменнике. Затем парогазовая смесь поступает во внутреннее пространство рекуперативного воздухонагревателя 3. В воздухонагревателе 3 происходит рекуперативный нагрев воздуха, поступающего на горение, парогазовой смесью. Затем охлажденные продукты полного сгорания топливного газа и водяные пары поступают в дымовую трубу 4, размещенную над подогревателем и удаляются из нее в атмосферу за счет естественной тяги (самотяги) дымовой трубы. Контроль за температурой уходящих дымовых газов осуществляется с помощью датчика температуры 39.
Воздух, необходимый для горения и генерации парогазовой смеси, подается на вход воздухонагревателя 3 во входные участки воздушных каналов (ВГ на фиг.2), расположенных симметрично, с двух сторон, на торцевых участках рекуперативного воздухонагревателя. Изменение расхода воздуха (с целью поддержания минимально необходимой концентрации кислорода в парогазовой смеси) производится путем регулирования положения воздушного шибера 16 при одновременном контроле состава уходящих дымовых газов. Регулирование осуществляется вручную при первоначальном пуске подогревателя и во время проведения наладочных работ с использованием переносного газоанализатора. Подача воздуха в подогреватель осуществляется за счет самотяги дымовой трубы.
Воздух, нагреваемый в рекуперативном воздухонагревателе 3, омывает его внутреннюю теплообменную поверхность, разделяющую потоки парогазовой смеси и воздуха. Нагретый воздух подается по внутренним воздушным каналам к выходным отверстиям, соединенным с вертикальными воздуховодами в корпусе 1 подогревателя газа, образованными его теплоизолированными боковыми стенами и вкладышами 2. Из нижней части воздуховодов нагретый воздух с двух сторон поступает в общий воздушный коллектор, образованный нижней поверхностью поддонов 10 и верхней
поверхностью теплоизолированного пода топки корпуса 1. Из воздушного коллектора нагретый воздух через зазоры между соседними поддонами поступает к горелкам 13.
Автоматическое регулирование теплопроизводительности подогревателя осуществляется путем изменения расхода топливного газа, поступающего на горелки 13. В качестве топливного газа на подогревателе используется часть потока газа, подогретого в теплообменнике 5. Подогретый топливный газ отбирается из выходного горизонтального коллектора (см. Г2).
Подаваемый на обвязку 14 (см. фиг.1) подогревателя топливный газ проходит последовательно клапан запорный с ручным управлением 17 (см. фиг: 2), а затем подается на фильтр 21. Отфильтрованный топливный газ поступает на клапаны: электромагнитный предохранительный 27 и регулирующий 28. Эти клапаны являются исполнительными механизмами блока автоматического управления 15. С их помощью осуществляются функции защиты и регулирования.
При подаче управляющего сигнала от блока автоматического управления 15 клапан предохранительный 27 обеспечивает защиту подогревателя путем отключения подачи газа на обвязку горелок 14 в следующих аварийных ситуациях:
- при загазованности в шкафу обвязки горелки выше 20% НКПВ (нижнего концентрационного предела взрываемости), (контроль датчиком загазованности 38);
1
5
- при превышении температуры стенки хотя бы одного из пяти теплообменных модулей выше 350°С (термодатчики 42...42) при малом расходе нагреваемого газа через теплообменник;
1
4
- при погасании пламени хотя бы на одной из включенных в работу горелок (на основном рабочем режиме непрерывного регулирования) - при отсутствии сигнала с соответствующего контрольного электрода 32...32;
- при превышении давления нагретого газа на входе в обвязку горелок (входного давления топливного газа) нормальной заданной величины входного давления топливного газа, подаваемого на подогреватель (датчик давления 34);
- при превышении давления топливного газа в коллекторе перед горелками нормальной заданной величины входного давления топливного газа (датчик давления 35);
1
4
- при превышении давления топливного газа перед каждой из горелок нормальной заданной величины рабочего давления топливного газа (датчики давления 36...36);
- при снижении входного давления топливного газа, нормальной заданной величины рабочего давления, (датчик давления 34);
- при превышении температуры нагретого газа на выходе из подогревателя выше заданной величины, (термодатчик 40);
- при уменьшении разрежения в топке на основном режиме ниже заданной величины, (датчик разрежения 33).
Если загазованность в шкафу обвязки горелки не снижается от уровня 20% НКПВ - производится отключение подачи газа на подогреватель путем закрытия клапанов ЗД1 и ЗД2.
Автоматическое регулирование теплопроизводительности подогревателя (и, следовательно, температуры нагреваемого газа на его выходе) двухрежимное:
- непрерывное, в диапазоне теплопроизводительности от 100% до 20% (с помощью клапана регулирующего 28, см. фиг.1);
4
2
- дискретное, в диапазоне от 20% до 5% - (путем включения и отключения горелок с помощью клапанов 26...26). (Первая из включаемых горелок (отсчет справа налево, см. фиг.2) не отключается при дискретном регулировании.)
1
4
Ручная регулировка (коррекция) оптимального режима работы горелок 13 при первоначальном пуске и проведении пусконаладочных работ осуществляется с помощью запорно-регулирующих клапанов 30...30 (см. фиг.2). При этом предотвращается автоколебательный режим работы системы регулирования.
1
4
Система автоматического управления подогревателем осуществляет обработку результатов прямых измерений температуры газа перед горелками (термодатчик 41) и давления газа перед горелками (датчики давления 36...36) и индицирует результаты расчета технологического параметров:
- расхода топливного газа на подогреватель (обработка результатов измерений давления и температуры топливного газа перед каждой из горелок).
- результаты расчета технологического параметра - теплового КПД подогревателя.
Пройдя указанную выше арматуру обвязки горелок 14 топливный газ поступает на подключенные к обвязке горелки 13.
Каждая из горелок подогревателя газа является инжекционной горелкой с двухстадийным смешением газа и воздуха и содержит (фиг.5): узел подключения поз.1; сопло поз.2; газораспределитель поз.3 (с размещенными в нем газовыпускными отверстиями поз.5); опоры горелки поз.4. Горелка комплектуется контрольным электродом КЭ, а также электрозапальником ЭЗ.
Подвод топливного газа к горелке осуществляется по отдельной газовой трубе, соединяющей узел подключения горелки и обвязку горелок.
Воздух к каждой из горелок поз.13 подается за счет тяги дымовой трубы.
Горелки обеспечивают качественное сжигание топливного газа в рабочем диапазоне его давлений.
Перед включением каждой горелки в работу на ее электрозапальник ЭЗ подается напряжение 12 В от понижающего трансформатора (блока электропитания). Горелки включаются поочередно. В работу вначале включается первая справа (см. фиг.2) горелка, а затем, поочередно, по порядку возрастания номеров, включаются остальные горелки.
После прогрева свечи накаливания до рабочей температуры, спустя 5...40 с на включаемую горелку подается топливный газ. Подаваемый на горелку топливный газ истекает из газового сопла 2 в смеситель, размещенный в начальном участке газораспределителя 3. Образовавшаяся при смешении с первичным воздухом обогащенная (топливом) газовоздушная смесь поступает в основную часть газораспределителя 3, размещенную на опорах 4 над зазорами между соседними поддонами 10 (см. фиг.2).
Из газораспределителя 3 (фиг.5) газовоздушная смесь истекает через газовыпускные отверстия 5. При этом происходит смешение газовоздушной смеси со вторичным воздухом (поступающим снизу, через зазоры между соседними поддонами) и образуется газовоздушная смесь, обеспечивающая полное сгорание топливного газа. (Качество сжигания топливного газа на горелках подогревателя соответствует требованиям ГОСТ 21204 «Горелки газовые промышленные. Общие технические требования»).
Выходящая из газораспределителя газовоздушная смесь натекает на свечу накаливания (расположенную у одного из крайних отверстий 5) электрозапальника и воспламеняется. При этом происходит поочередное воспламенение всех факелов горелки, струй газовоздушной смеси, истекающих из остальных отверстий (принцип воспламенения - «бегущее пламя»). После розжига горелки, при поступлении сигнала от контрольного электрода КЭ, подача электропитания на электрозапальник автоматически отключается.
Стабилизация фронта горения, полное выгорание газовоздушной смеси происходит внутри поддонов 10 (рис.2). Выделяющаяся при этом теплота идет на испарение конденсата водяных паров из поддона и образование парогазовой смеси, поступающей затем вверх, в межтрубное пространство теплообменника 5.
Наличие тяги (разрежение в топке) контролируется общим для всех горелок датчиком тяги 33 (см. фиг.2). Указанный датчик размещен на одном из съемных щитков 44.
1
4
Система автоматического управления подогревателем производит также обработку результатов прямых измерений и индицирует результаты расчета технологического параметра - расхода топливного газа на подогреватель. При этом производится обработка результатов измерений давления перед каждой из горелок (датчики 36...36) и температуры топливного газа (термодатчик 41).
Особенностью конструкции подогревателя является непродолжительное (не более 10 минут) время выхода его на основной технологический режим работы (малая тепловая инерционность). Указанная особенность обусловлена рассредоточенным подводом парогазовой смеси к теплообменнику, в котором нагревается газ, небольшой массой металла поверхности теплообмена подогревателя.
Вентиляция шкафа теплоизолированного (укрытия обвязки горелок) при работе подогревателя осуществляется за счет инфильтрации воздуха в топку подогревателя через неплотности шкафа и неплотности заслонок 45 (фиг.2). За счет теплопотерь примыкающей к шкафу торцевой стенки подогревателя в зимнее время расчетная температура в шкафу не ниже 5°С. Укрытие оборудовано автоматическим газоанализатором (по метану), с помощью которого предотвращается нештатная ситуация (хлопок или возгорание утечек газа внутри укрытия) на подогревателе.
Площадь выходного сечения дымовой трубы обеспечивает сброс импульса давления при нештатном розжиге горелок без нарушения работоспособности подогревателя. При этом нет необходимости применять дополнительные взрывные клапаны.