энергетическая установка с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором и способ ее работы

Формула изобретения

1. Энергетическая установка с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором, содержащая основную камеру сгорания, отличающаяся тем, что наряду с основной камерой сгорания, подающей продукты сгорания во внутренний парогенерирующий цилиндр, устанавливается вспомогательная камера сгорания, подающая продукты сгорания непосредственно в турбину турбокомпрессора, а для перераспределения воздуха между вспомогательной и основной камерами сгорания в процессе раскрутки турбокомпрессора до номинальных оборотов имеются трехходовой воздушный клапан либо отдельные воздушные клапаны на магистралях, ведущих к вспомогательной и основной камерам сгорания, причем для стартового импульса воздуха, который подается вначале раскрутки турбокомпрессора по трубопроводу, снабженному отсечным клапаном, служит пусковой воздушный компрессор, нагнетающий воздух до давления 0,6 - 1,5 МПа, с ресивером, а газоход за турбиной может иметь байпасную линию с заслонкой для снижения гидравлического сопротивления тракта за турбиной на этапе раскрутки либо устроен без байпасной линии.

2. Способ работы энергетической установки с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором, снабженной основной камерой сгорания, отличающийся тем, что для запуска установки из ресивера пускового воздушного компрессора при открытии отсечного клапана сжатый воздух подается на компрессор турбокомпрессора либо через эжектор в воздушный тракт за компрессором и по газовоздушному тракту проходит к турбине турбокомпрессора либо непосредственно на турбину турбокомпрессора и раскручивают компрессор турбокомпрессора, при этом воздух из раскручиваемого компрессора с помощью трехходового клапана или отдельного клапана на воздушной линии к вспомогательной камере сгорания направляется во вспомогательную камеру сгорания и при подаче в нее топлива и поджиге горючей смеси продукты сгорания поступают непосредственно на турбину турбокомпрессора и начинают активно раскручивать турбокомпрессор при открытой байпасной линии за турбокомпрессором в случае ее наличия в схеме установки, а с ростом числа оборотов турбокомпрессора растет его производительность и в процессе раскрутки турбокомпрессора трехходовым клапаном или отдельным клапаном на воздушной линии основной камеры сгорания, работа которого согласована с клапаном на воздушной линии к вспомогательной камере сгорания, осуществляется переключение воздушного потока от компрессора турбокомпрессора с воздушной магистрали к вспомогательной камере сгорания на основную камеру сгорания, куда подается топливо и производится поджиг горючей смеси, затем продукты сгорания из основной камеры сгорания поступают в малогабаритный цилиндрический котел, отдавая тепло теплоносителю, и при достижении турбокомпрессором номинального числа оборотов и основной камерой сгорания заданной тепловой мощности вспомогательная камера сгорания выключается, а байпасная линия, если она есть в установке и была открыта, закрывается, причем сочетанием работы основной и вспомогательной камер сгорания осуществляют глубокое регулирование тепловой мощности установки в

пределах от минимальной производительности вспомогательной камеры сгорания до максимальной производительности основной камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в котлостроении.

Известна энергетическая установка с малогабаритным цилиндрическим котлом с турбокомпрессором и камерой сгорания, расположенной в торце внутреннего цилиндра. Продукты сгорания проходят начальные газоходы (центральный и периферийные, если они есть), нагревая теплоноситель, и поступают на вход в турбину турбокомпрессора. После турбины продукты сгорания проходят по оставшимся газоходам, отдавая тепло теплоносителю, и уходят в дымовую трубу (см. патент Российской Федерации 2121622, М.кл. F 22 В 1/24, 1997 г.).

В этом патенте раскрыт также известный способ работы энергетической установки с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором, снабженной основной камерой сгорания.

Недостатком известной энергетической установки и способа ее работы является то, что в начальный момент запуска установка (металл, теплоноситель) холодная и, если произвести каким-либо способом стартовую раскрутку турбокомпрессора, то при начальном расходе воздуха, поступающего в камеру сгорания, образующиеся продукты сгорания подходят к турбокомпрессору с низкой температурой из-за их малого количества и интенсивного теплообмена на пути движения продуктов сгорания. Тем самым оказывается, что турбине затруднительно раскрутить компрессор до номинальных оборотов, чтобы тот смог обеспечить необходимые для стабильной работы установки степень сжатия воздуха, расход и температуру продуктов сгорания за ограниченный период времени, в течение которого способен обычно действовать источник (например, баллонный) начальной раскрутки турбокомпрессора (как правило, максимум несколько минут). Следствием является прекращение работы установки до выхода на заданный режим.

Известны электро- или турбостартерный методы раскрутки турбокомпрессора. Недостатком этих аналогов является то, что они требуют сложного и дорогостоящего оборудования и, к тому же, период их разового включения недостаточен для разогрева установки с малогабаритным цилиндрическим котлом и вывода ее на заданный режим. Глубина регулирования тепловой мощности малогабаритного цилиндрического котла при этом ограничивается возможностями лишь одной камеры сгорания.

С целью решения проблемы запуска и раскрутки турбокомпрессора в установке с малогабаритным цилиндрическим котлом и расширения диапазона регулирования ее тепловой мощности предлагается снабдить установку системой запуска и регулирования, при этом энергетическая установка с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором содержит основную камеру сгорания, подающую продукты сгорания во внутренний парогенерирующий цилиндр, и вспомогательную камеру сгорания, подающую продукты сгорания непосредственно в турбину турбокомпрессора, а для перераспределения воздуха между вспомогательной и основной камерами сгорания в процессе раскрутки турбокомпрессора до номинальных оборотов имеются трехходовой воздушный клапан, либо отдельные воздушные клапаны на магистралях, ведущих к вспомогательной и основной камерам сгорания, причем для стартового импульса воздуха, который подается вначале раскрутки турбокомпрессора по трубопроводу, снабженному отсечным клапаном, служит пусковой воздушный компрессор, нагнетающий воздух до давления 0,6-1,5 МПа, с ресивером, а газоход за турбиной может иметь байпасную линию с заслонкой для снижения гидравлического сопротивления тракта за турбиной на этапе раскрутки, либо устроен без байпасной линии.

Кроме того, в способе работы энергетической установки с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором, снабженной основной камерой сгорания, для запуска установки из ресивера пускового воздушного компрессора при открытии отсечного клапана сжатый воздух подается на компрессор турбокомпрессора, либо через эжектор в воздушный тракт за компрессором и по газовоздушному проходит к турбине турбокомпрессора, либо непосредственно на турбину турбокомпрессора и раскручивает компрессор турбокомпрессора, при этом воздух из раскручиваемого компрессора с помощью трехходового клапана или отдельного клапана на воздушной линии к вспомогательной камере сгорания направляется во вспомогательную камеру сгорания, и при подаче в нее топлива и поджиге горючей смеси продукты сгорания поступают непосредственно на турбину турбокомпрессора и начинают активно раскручивать турбокомпрессор при открытой байпасной линии за турбокомпрессором в случае ее наличия в схеме установки, а с ростом числа оборотов турбокомпрессора растет его производительность и в процессе раскрутки турбокомпрессора трехходовым клапаном или отдельным клапаном на воздушной линии основной камеры сгорания, работа которого согласована с клапаном на воздушной линии к вспомогательной камере сгорания, осуществляется переключение воздушного потока от компрессора турбокомпрессора воздушной магистрали к вспомогательной камере сгорания на основную камеру сгорания, куда подается топливо и производится поджиг горючей смеси, затем продукты сгорания из основной камеры сгорания поступают в малогабаритный цилиндрический котел, отдавая тепло теплоносителю и при достижении турбокомпрессором номинального числа оборотов и основной камеры сгорания заданной тепловой мощности, вспомогательная камера сгорания выключается, а байпасная линия, если она есть в установке и была открыта, закрывается, причем сочетанием работы основной и вспомогательной камер сгорания осуществляют глубокое регулирование тепловой мощности установки в пределах от минимальной производительности вспомогательной камеры сгорания до максимальной производительности основной камеры сгорания.

Схема энергетической установки с малогабаритным цилиндрическим котлом с системой запуска и регулирования представлена на чертеже.

Здесь 1a и 1b - собственно малогабаритный цилиндрический котел (соответственно часть газохода высокого и низкого давления, если определять по давлению продуктов сгорания); 2 - основная камера сгорания; 3 - турбокомпрессор; 4 - вспомогательная камера сгорания; 5 - пусковой воздушный компрессор, нагнетающий воздух до давления 0,6-1,5 МПа, с ресивером; 6 - байпасный тракт продуктов сгорания, который может устанавливаться в установке при желании сократить время запуска, однако это приводит, естественно, к некоторому усложнению схемы установки; 7 - трехходовой регулирующий воздушный клапан, служащий для перераспределения воздуха между вспомогательной и основной камерами сгорания; 8, 9 - вентили подачи топлива; 10 - отсечной воздушный клапан; 11 - заслонка байпасной магистрали при наличии такой магистрали в схеме. Возможна схема с установкой на воздушных магистралях к основной и вспомогательной камерам сгорания вместо трехходового регулирующего воздушного клапана отдельных воздушных клапанов 7a, 7b, работающих по согласованной программе.

Установка действует следующим образом.

Вначале регулирующий воздушный клапан 7 установлен в положении, когда воздушный тракт основной камеры сгорания 2 отключен, а воздушный тракт вспомогательной камеры сгорания 3 открыт. Заслонка байпасной линии 11 - при наличии в схеме такой линии - открыта, что позволяет снизить до минимума гидравлическое сопротивление газохода малогабаритного цилиндрического котла за турбиной и облегчает условия раскрутки турбокомпрессора.

В таком положении системы запуска и регулирования на колесо компрессора турбокомпрессора 3а подается начальный импульс пускового воздуха из ресивера воздушного компрессора 5 открытием отсечного воздушного клапана (возможны схемы подачи пускового воздуха на колесо турбины турбокомпрессора 3b или в воздушную линию за компрессором турбокомпрессора через эжектор). Компрессор турбокомпрессора раскручивается, и поток воздуха направляется во вспомогательную камеру сгорания. При подаче топлива открытием вентиля 9 во вспомогательную камеру сгорания производится поджиг горючей смеси, и продукты сгорания поступают непосредственно в турбину турбокомпрессора, производя ее активную раскрутку. Регулируя соотношение топлива и воздуха во вспомогательной камере сгорания, устанавливают необходимую по условиям работы турбины температуру продуктов сгорания (650-700^oC). За короткий интервал времени (20-50 с) число оборотов турбокомпрессора и, соответственно, степень сжатия и расход воздуха достигают номинальных значений. Линия пускового компрессора отключается, и установка работает по газовоздушному тракту в автономном режиме. По достижении этого состояния поворотом трехходового регулирующего воздушного клапана 7 или поворотом вентилей 7a, 7b начинается переключение потока воздуха и подача топлива через вентиль 8 на основную камеру сгорания. Производится поджиг горючей смеси в основной камере сгорания и при дальнейшем повороте регулирующего воздушного клапана тепловая мощность основной камеры сгорания доводится до заданной величины, а работа вспомогательной камеры сгорания останавливается. По мере увеличения мощности основной камеры сгорания производится закрытие байпасной магистрали заслонкой 11 при наличии ее в схеме. Установка выводится на номинальный режим работы.

В процессе запуска необходимо держать под контролем параметры теплоносителя - ход, давление, температуру.

Регулируя взаимодействие основной и вспомогательной камер сгорания, можно менять в широком диапазоне тепловую мощность установки - от минимально возможной при работе только вспомогательной камеры сгорания и теплообменных поверхностей, расположенных вниз по потоку продуктов сгорания за турбиной (примерно 15% общей тепловой мощности установки) до максимально возможной при работе только основной камеры сгорания и всех теплообменных поверхностей малогабаритного цилиндрического котла.

Таким образом, с помощью двух камер сгорания, из которых одна выходит непосредственно на турбокомпрессор, а другая выходит на малогабаритный цилиндрический котел, и регулирующей арматуры производится запуск энергетической установки с малогабаритным цилиндрическим котлом и турбокомпрессором, а также достигается глубина регулирования тепловой мощности установки порядка 85%, что в обычных случаях при наличии одной камеры сгорания получить практически невозможно.