Предложение относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки тепловой и электрической энергии и может быть применено в газоперекачивающих агрегатах – ГПА в составе выхлопного устройства.Выхлопное устройство энергетической установки запатентовано: подана заявка РФ на изобретение № 2014101281 [1], по которой получено решение о выдаче патента. На конструкцию газоперекачивающего агрегата авторами также получены патенты [2] и [3]. На конструкцию активатора топлива для установки получены патенты [4] — [13 ].
Важность проблемы повышения КПД установки не вызывает сомнения. В стране находится в эксплуатации около 4 тыс. установок имеющих общую мощность 40 000 МВт.
Установки сжигают около 25 % перекачиваемого ими газа и убытки от этого составляют сотни миллиардов рублей. Высокое содержание вредных веществ в выхлопных газах делает невозможным эксплуатацию ГПА вблизи населенных пунктов и их экспорт.
Конструкция устройства приведена на рис. 1…23. Газоперекачивающих агрегат (рис. 1) содержит свободную турбину 1, к выходу из которой присоединено выхлопное устройство 2 с выхлопной шахтой 3 выполненной цилиндрической. При этом свободная турбина 1 имеет корпус 4, входной обтекатель 5, сопловой аппарат 6, рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8, установленное на валу 9, который установлен на опорах 10, выходной аппарат 11.
К валу 9 через муфту 12 присоединен вал 13 потребителя энергии 14 (генератора электроэнергии или компрессора )
В выхлопной шахте 3 установлен глушитель шума 15, который выполняет функции нейтрализатора выхлопных газов. Глушитель шума 15 выполнен в виде кассет 16 (рис. 3) для удобства сборки и ремонта. Кассеты 16 установлены в выхлопной шахте 3 вдоль оси выхлопной шахты 3 и радиально (рис. 2).

Ниже кассет 16 снаружи выхлопной шахты 3 выполнена площадка обслуживания 17, предназначенная для обслуживающего персонала.
Кассеты 16 могут быть выполнены в виде корпуса 18, например, в форме прямоугольных параллелепипедов с полостью 19 внутри. Полость 19 кассет 16 частично заполнена катализатором 20 — минералом шунгит. Частичное заполнение объема полости 19 кассет 16 катализатором 20 позволяет сохранить их шумоглушащие свойства. Корпус 18 кассет 16 перфорирован отверстиями 21, которые служат для сообщения полости 19 с полостью 22 внутри выхлопной шахты 3 (рис. 1) и одновременно предназначены для прохождения выхлопных газов внутрь них для очистки и непосредственно принимают участие в снижении уровня шума. Полость 19 частично заполнена минералом шунгит в виде кусков, служащим катализатором очистки. Диаметр отверстий 21 выполнен меньше размера кусков минерала шунгит для исключения его высыпания.
При проектировании системы очистки выхлопных газов следует учитывать, что окислительные и восстановительные реакции, протекающие в каталитическом нейтрализаторе, наиболее эффективны (т.е. происходят с наиболее высокой скоростью) в узком диапазоне коэффициента избытка воздуха, близком к стехиометрическому (0,95-0,98). При этом происходит эффективная нейтрализация всех трех основных токсичных компонентов окиси азота, углеводородов и окиси углерода. Окись углерода и углеводороды окисляются с образованием конечных продуктов сгорания топлива углекислого газа и воды, а окись азота восстанавливается преимущественно в реакции с окисью углерода

2NO + 2CO ->> N2 + 2CO2
В трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах предельная температура выхлопных газов не должна превышать 800 оС. При более 800оС происходит потеря активности катализатора, а при более 1100 оС оплавление блока каталитического вещества.
На фиг. 3 приведен внешний вид кассеты 16, на рис. 4…8 наиболее детально представлены различные варианты кассет 16.
Кассета 16 (рис. 3 и 4) в первом варианте исполнения содержит торцовые грани 23 и 24. С торцовой гранью 24 соединено основание 25, имеющее ручку 26. Под основанием 25 установлена герметизирующая прокладка 27. На основании 25 выполнены отверстия 28 для монтажа.

Во втором варианте (рис. 5) на стороне кассеты 16, обращенной навстречу потоку газов выполнено скругление 29.

В третьем варианте вместо второй противоположной стороне кассеты 16 также выполнено скругление 30. В четвертом варианте (рис. 7) вместо скругления 29 выполнена острая кромка 31. В пятом варианте кассета 16 выполнена в виде аэродинамического профиля 32 (рис. 9).

Кассеты 16 могут быть установлены под углом φ к вертикальной радиальной плоскости. Оптимальное значение угла установки φ = 5…7 0. При меньших углах неээфективна очистка выхлопных газов, а при больших углах установки увеличивается аэродинамическое сопротивление кассет 16 в потоке выхлопных газов.
Возможна установка в полости 22 внутри выхлопной шахты 3 теплообменника-утилизатора 33, который состоит из секций 34 установленных радиально (рис. 9 и 10). Секции 34 имеют входные и выходные патрубки, соответственно 35 и 36 к которым подведены подводящий трубопровод 37 и отводящий трубопровод 38.

Внешний вид секции 34 приведен на фиг. 11. Секция 34 содержит (рис. 11…13): корпус 39, имеющий узкие боковые грани 40, торцовые грани 41 и 42. С торцовой гранью 42 соединено основание 43, имеющее ручку 44. Под основанием 43 установлена герметизирующая прокладка 45. На основании 43 выполнены отверстия 46 для монтажа. Во внутренней полости 47 установлены трубы 48. Корпус 39 имеет отверстия 49.

Во втором варианте (рис. 14) вместо узкой боковой грани 40 обращенной навстречу потоку газов выполнено скругление 50, а вместо другой противоположно расположенной боковой грани 40 выполнено скругление 51.

В третьем (рис. 15) варианте со стороны противоположной потоку газа выполнена прямоугольная щель 52 для выхода очищенного газа. В четвертом варианте (рис. 16) также выполнена прямоугольная щель 53 со стороны, обращенной потоку газа.

В пятом варианте (рис. 18) приведена усовершенствованная конструкция секции 34, образующая чрезвычайно высокой эффективностью теплоотдачи от выхлопных газов к стенке труб 48. Известно из книга М. И. Михеев, Основы теплопередачи. М., 1977г, стр. 104, что максимальное значение коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании трубы имеет место в точнее находящейся на оси движения потока, а на боковых поверхностях в 4 раза ниже (фиг. 17).

Для того, чтобы исправить этот недостаток предложено применить отбортовки 54 в отверстиях 49, для интенсификации теплообмена. Снаружи выхлопной шахты выполнена вторая платформа 55 для обслуживания теплообменника-утилизатора 33 и замены секций 34.
Возможно применение паровой турбины 56, подсоединенной к отводящему трубопроводу 38 (рис. 19). Подводящий трубопровод 37 присоединен к баку воды 57 и содержит насос 58.

Паровая турбина 56 имеет конструкцию, представленную на рис. 19 и содержит переходник 59, корпус 60 , входной обтекатель 61, сопловой аппарат 62, рабочее колесо 63 с рабочими лопатками 64, установленное на валу 65, установленный в свою очередь на опорах 66, выходной аппарат 67 и выхлопное устройство 68 с выходной трубой 69. К валу 65 при помощи муфты 70 присоединен вал 71 второго потребителя (генератора) 72 .
На рис. 20 приведена система подачи воды в шумоглушитель 15, которая содержит трубопровод 73 с насосом 74, присоединенный к баку воды 57.
РАБОТА УСТАНОВКИ
Для запуска установки (рис. 1…23) подают выхлопные газы из газотурбинного двигателя (газотурбинный двигатель на рис. 1..23 не показан) на вход в свободную турбину 1. Раскручивается рабочее колесо 7 и вал 9, который через муфту 12 приводит во вращение вал 13 нагрузки 14.
При наличии паровой турбины 59 пар из теплообменника-утилизатора 33 подается в паровую турбину 59. Раскручивается рабочее колесо 636с валом 67, который приводит во вращение вал 73 второй нагрузки 74. Очистка выхлопных газов осуществляется катализатором 19 (рис. 3) чрез который проходят эти газы. По мере потери активности катализатора 19 кассеты 16 (рис. 1) заменяются. Площадка 37 улучшает условия труда и обеспечивает безопасность проведения работ.
Вторая площадка 54 используется для замены секций 34 теплообменника 33.
Применение в качестве катализатора очистки шунгита уменьшит стоимость оборудования и снизит затраты при его эксплуатации.

При необходимости при помощи трубопровода отбора 75 (рис. 21) из выхлопной шахты 3 может отбираться выхлопной газ, содержащий примеси несгоревших углеводородов и водорода, образовавшегося при каталитическом разложении воды.

Для увеличения времени пребывания потока выхлопных газов он может быть закручен до нейтрализатора 15 при помощи устройства для закрутки потока 76 (рис. 22).
Возможна установка кассет 16 под углом (рис. 23), в этом случае надобность в устройстве для закрутки потока 76 отпадает.

Применение изобретения позволило:
1. Создать автономную энергетическую установку, обеспечивающую потребителя одновременно электроэнергией и теплом.
2. Увеличить КПД установки:
— за счет применения блоков шумоглушения и секций теплообменника-газификатора плоской формы, их особой компоновки в выхлопной шахте и совмещения функций шумоглушения и очистки в одном устройстве,
— за счет выполнения секций теплообменника-утилизатора такой конструкции, которая позволяет в несколько раз повысить коэффициент теплоотдачи от выхлопных газов к трубкам теплообменника-газификатора. Увеличение КПД установки хотя бы на 1 % в масштабах страны дает экономический эффект сотни миллиардов рублей.
3. Снизить эмиссию вредных веществ в выхлопных газах за счет применения для очистки катализатора.
4. Обеспечить удобство в эксплуатации и обеспечение безопасности работ при ремонте установки за счет применения платформ обслуживания.
5. Производить быструю замену кассет с катализатором очистки, по мере их загрязнения и быструю замену секций теплообменника-утилизатора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дудышев В. Д., Болотин Н. Б. Заявка на изобретение № 2014101281 с положительным решением от 20.01.2015 г. Выхлопное устройство энергетической установки.
2. Болотин Н. Б. Патент РФ № 2324064 Энергетическая газотурбинная силовая установка.
3. Болотин Н. Б. Патент РФ № 2330975. Газотурбинная энергетическая установка.
4. Дудышев В.Д. Патент РФ на полезную модель № 103138 Магнито-электрический активатор воздуха.
5. Дудышев В.Д. Патент РФ на полезную модель № 138521 Электрический активатор воздуха.
6. Дудышев В.Д. Патент РФ на полезную модель № 140629 Электрический активатор воздуха.
7. Дудышев В.Д. Патент РФ на полезную модель № 141124 Электрический активатор воздуха.
8. Дудышев В.Д. Патент РФ на полезную модель № №143621 Электрический активатор воздуха.
9. Дудышев В.Д, Патент РФ на полезную модель № 103139 Электрический активатор топлива для теплового двигателя.
10. Дудышев В.Д, Патент РФ на полезную модель № 140194 Магнито-электрический активатор топлива для теплового двигателя.
11. Дудышев В.Д, Патент РФ на полезную модель № 138122 Проточной магнитный активатор топлива для теплового двигателя.
12. Дудышев В.Д, Патент РФ на полезную модель № 138130 Накидной магнитный активатор топлива для теплового двигателя.
13. Дудышев В.Д, Патент РФ на полезную модель № 137978 Топливный фильтр- активатор для теплового двигателя.

Авторы статьи: академик Дудышев Валерий Дмитриевич

патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович