Результат интеллектуальной деятельности: ВОДООБОРОТНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ОБЪЕКТА

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к водооборотным системам тепловыделяющих объектов, в частности водооборотным системам герметичных стендов для испытаний насосов, преимущественно крупных, например нефтяных магистральных насосов.

Охлаждающей водой, нагретой в тепловыделяющем объекте, можно распорядиться по-разному, но вариантов фактически три и все они известны. По первому вода сбрасывается в канализацию, т.е. используется на проток. Очевидно, что в настоящее время не только по экологическим, но и по экономическим соображениям это неприемлемо. Так, при испытаниях крупных нефтяных насосов объемный расход перекачиваемой насосом воды составляет 7500…14000 м³/ч. За время проведения испытаний в канализацию будут выбрасываться сотни тысяч кубометров чистой технической воды.

По второму варианту нагретая вода может быть использована в технологии предприятия. Такое решение теоретически является наиболее привлекательным, так как одновременно может быть утилизировано и полученное ею от тепловыделяющего объекта тепло. Однако возможность даже частичного использования нагретой охлаждающей воды встречается крайне редко и составляет тысячные доли процента от общей массы ее потребления. Например, в гидравлическом контуре испытательного стенда крупных насосов при дросселировании и кавитации воды выделяются магаватты тепловой энергии, но из-за цикличности и относительной кратковременности проведения испытаний утилизация тепла и самой нагретой воды экономически нецелесообразна.

Третий вариант - нагретую воду охладить и повторно использовать, то есть организовать водооборотную систему. Этот вариант является преимущественным в общемировой практике, а усилия специалистов направлены на совершенствование техники и технологии таких систем.

Известна водооборотная система тепловыделяющего объекта, содержащая тепловыделяющий объект в виде испытываемого насоса, всасывающий и нагнетательный патрубки которого подсоединены к водооборотному трубопроводу, снабженному дросселем, системой контрольно-измерительной и запорно-регулирующей аппаратуры, успокоительным баком, а также устройством охлаждения рабочей воды в виде жидкостного теплообменника [О.В.Яременко. Испытания насосов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1976, стр.56, рис.28].

Недостатками известной водооборотной системы являются значительные массогабаритные характеристики охлаждающего устройства, что ограничивает область его применения (может быть использован только для испытаний небольших и средних насосов). Так, например, при испытаниях магистрального нефтяного насоса с номинальной подачей 7500 м³/ч и напором 250 м при дросселировании и кавитации рабочей жидкости в гидравлическом контуре стенда выделяется порядка 6 МВт тепловой энергии. Длина теплообменника такой мощности теплосъема должна составлять десятки метров. При этом требуется большой объем охлаждающей жидкости с громоздкой системой ее циркуляции, равной по расходу основному контуру. Эту жидкость тоже надо охлаждать.

Известна также водооборотная система тепловыделяющего объекта с замкнутым через бассейн-накопитель циркуляционным трубопроводом и охлаждающим устройством в виде башенной градирни, через которую пропускается вся оборотная вода [Патент РФ на изобретение №2168131, МПК F01C 1/00, заявка №2000100803/06 от 23.02.1998, опубл. 27.05.2001].

Недостатком известной системы является ограниченная область применения вследствие громоздкости охлаждающего устройства в виде башенной градирни, которая по производительности должна соответствовать основному контуру. Для водооборотной системы пропускной способностью порядка нескольких тысяч кубометров воды в час и мощностью тепловыделяющего объекта порядка нескольких (до десяти и более) МВт необходимо несколько башенных градирен, что неприемлемо из экономических соображений (большие капитальные затраты, значительные потери воды вследствие испарения в градирнях) и большой занимаемой градирнями площади.

Известна водооборотная система тепловыделяющего объекта, в которой охлаждение оборотной воды осуществляется в вентиляторной градирне, причем циркуляция оборотной воды осуществляется через бассейн-смеситель, гидравлически связанный с выходом вентиляторной градирни [Патент РФ на изобретение №2274813, МПК F01C 1/00, заявка №2004115007/06 от 17.05.2004, опубл. 20.04.2006].

Использование в качестве охлаждающего устройства компактной вентиляторной градирни позволяет снизить занимаемую охлаждающим устройством площадь (по сравнению с башенной градирней). Недостатком ее является ограниченная пропускная способность, не позволяющая осуществлять необходимое охлаждение систем с большими объемным расходом оборотной воды и мощностью тепловыделяющего объекта. Для обеспечения необходимого теплосъема требуется наличие значительного количества вентиляторных градирен, а следовательно, большая площадь для их размещения.

Известна также водооборотная система тепловыделяющего объекта, в которой в вентиляторной градирне охлаждается только часть нагретой оборотной воды, причем циркуляция оборотной воды осуществляется с разрывом потока через бассейн-смеситель, с которым сообщен выход вентиляторной градирни [Патент РФ на изобретение №2128318, МПК F01C 1/00, заявка №97105246/06 от 02.04.1997, опубл. 27.03.1999].

Недостатками известной системы являются значительные капитальные затраты на сооружение бассейна-смесителя, большая площадь для его размещения, а также повышенный расход оборотной воды.

В качестве прототипа выбрана водооборотная система тепловыделяющего объекта, содержащая циркуляционный трубопровод с тепловыделяющим объектом, системой контрольно-измерительной и запорно-регулирующей аппаратуры, одну или более вентиляторные градирни, вход которых гидравлически соединен с циркуляционным трубопроводом с возможностью отбора на охлаждение части нагретой воды, а выход - с емкостью охлажденной воды, накопительную емкость, гидравлически соединенную с циркуляционным трубопроводом и емкостью охлажденной воды, а также трубопровод сетевой воды [Патент РФ на изобретение №2274813, МПК F01C 1/00, заявка №2004115007/06 от 17.05.2004, опубл. 27.03.1999].

Недостатком известной водооборотной системы является наличие разрыва потока оборотной воды через накопительную емкость и емкость охлажденной воды, в результате чего требуется их большой объем для обеспечения необходимой пропускной способности. При этом отбор нагретой воды на форсунки градирен осуществляется из накопительной емкости специальным насосом, что усложняет конструкцию водооборотной системы и повышает ее энергопотребление. По вышеуказанным причинам такая конструктивная схема не может быть применена к водооборотным системам с мощностью тепловыделяющего объекта в несколько (до 10 и более) МВт и объемным расходом оборотной воды до 10 и более тысяч кубических метров в час.

Общим существенным недостатком вышеупомянутых систем является разрыв гидравлического контура и сброс до атмосферного давления оборотной воды, что недопустимо для испытаний крупных, в частности нефтяных магистральных насосов с кавитационным запасом выше атмосферного давления на 30…50 м, так как это требует установки дополнительного бустерного насоса такой же производительности и напорности, что и испытываемый насос. Все это в целом приводит к значительному усложнению конструктивной схемы испытательного стенда, требует дополнительных затрат на проведение испытаний, а также создает непреодолимые проблемы при разработке новых магистральных насосов, так как при этом требуется разработка и изготовление соответствующих по производительности и напору бустерных насосов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков и создание простой, компактной конструкции высокорасходной водооборотной системы тепловыделяющего объекта большой мощности, в частности водооборотной системы герметичного стенда гидравлических испытаний крупных насосов с большим кавитационным запасом.

Поставленная цель достигается тем, что в водооборотной системе тепловыделяющего объекта, преимущественно водооборотной системе стенда гидравлических испытаний нефтяных магистральных насосов, содержащей циркуляционный трубопровод с тепловыделяющим объектом в виде испытываемого насоса и дросселирующего устройства, контрольно-измерительной и запорно-регулирующей аппаратурой, одно или более охлаждающее устройство, вход которого гидравлически соединен с циркуляционным трубопроводом с возможностью отбора на охлаждение части нагретой воды, а выход - с емкостью охлажденной воды, накопительную емкость, гидравлически соединенную с циркуляционным трубопроводом и емкостью охлажденной воды, а также трубопровод сетевой воды, согласно изобретению циркуляционный трубопровод выполнен замкнутым без разрыва потока оборотной воды и гидравлически соединен со входом охлаждающих устройств, емкость охлажденной воды соединена трубопроводом с циркуляционным трубопроводом, накопительная емкость соединена снабженным насосом, системой контрольно-измерительной и запорно-регулирующей аппаратуры трубопроводом с циркуляционным трубопроводом и емкостью охлажденной воды с возможностью заполнения/опорожнения гидравлического контура водооборотной системы и подпитки емкости охлажденной воды.

Во избежание замерзания в зимнее время трубопровод сетевой воды подключен к накопительной емкости, размещенной внутри помещения стенда гидравлических испытаний насосов.

При этом возврат охлажденной воды в циркуляционный контур может быть выполнен при помощи одного или более насоса, установленного(ых) в трубопроводе охлажденной воды.

Для обеспечения работоспособности циркуляционного контура при аварийном отключении перекачивающего охлажденную воду насоса циркуляционный трубопровод снабжен буферной емкостью. В целях снижения расхода электроэнергии, повышения эффективности перемешивания охлажденной и оборотной воды, а также обеспечения в циркуляционном трубопроводе дополнительного дросселирования оборотной воды возврат охлажденной воды в циркуляционный трубопровод может быть выполнен через жидкостный эжектор, в котором активной средой является вода циркуляционного трубопровода, а пассивной - охлажденная вода. Это позволяет использовать менее мощный подкачивающий охлажденную воду насос или вообще обойтись без него за счет эжектирования охлажденной воды потоком оборотной воды.

Для снижения эксплуатационных затрат в зимнее время емкость охлажденной воды дополнительно гидравлически соединена с циркуляционным трубопроводом с возможностью байпасной (минуя охлаждающие устройства) подачи оборотной воды для последующего ее охлаждения окружающим воздухом.

При этом охлаждающие устройства могут быть выполнены в виде воздушного теплообменника или вентиляторной градирни.

Для обеспечения возможности регулирования мощности теплосъема и увеличения пропускной способности градирни подключены параллельно.

Сопоставительный анализ заявляемой водооборотной системы тепловыделяющего объекта с прототипом и с другими решениями в данной области техники показывает, что изложенная в патентной формуле совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию изобретения «новизна».

При этом изложенная в формуле совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию «изобретательский уровень».

Соответствие предлагаемого решения критерию "промышленная применимость" видно из нижеприведенного примера конкретного выполнения водооборотной системы тепловыделяющего объекта.

Изобретение иллюстрировано чертежом, на котором представлена гидравлическая схема водооборотной системы стенда испытаний крупных центробежных насосов.

Перечень позиций на схеме:

1 - циркуляционный трубопровод;

2 - испытываемый насос;

3 - дросселирующее устройство;

4 - охлаждающее устройство (вентиляторная градирня или воздушный теплообменник);

5 - емкость охлажденной воды;

6 - накопительная (заправочная) емкость;

7 - трубопровод охлажденной воды;

8 - трубопровод подпитки емкости 5;

9 - насос закачки охлажденной воды из емкости 5 в циркуляционный трубопровод 1;

10 - насос для заполнения/опорожнения циркуляционного трубопровода 1 и подпитки емкости 5 водой из накопительной емкости 6;

11 - трубопровод сетевой воды (подпиточный трубопровод);

12 - жидкостной эжектор;

13 - соединяющий градирни 4 трубопровод;

14 - насос;

15 - буферная емкость;

16 - байпасный трубопровод;

17 - резервный насос.

Стенд гидравлических испытаний крупных центробежных насосов содержит замкнутый циркуляционный трубопровод 1 с тепловыделяющим объектом в виде испытываемого крупного центробежного насоса 2 и дросселирующего устройства (дросселя) 3, систему контрольно-измерительной и запорно-регулирующей аппаратуры, две вентиляторные градирни 4, вход которых гидравлически соединен с циркуляционным трубопроводом 1 с возможностью отбора на охлаждение части нагретой воды, а выход - с емкостью 5 охлажденной воды, накопительную(заправочную) емкость 6, гидравлически соединенную с циркуляционным трубопроводом 1 и емкостью 5. Циркуляционный трубопровод 1 выполнен замкнутым без разрыва потока воды, а на соединяющих емкость 5 с циркуляционным трубопроводом 1 и емкостью 6 трубопроводах 7, 8 установлены насосы 9, 10 для возврата охлажденной воды в циркуляционный трубопровод 1, заполнения/опорожнения циркуляционного трубопровода 1 и подпитки емкости 5 водой из накопительной емкости 6, соответственно.

Накопительная емкость 6 установлена внутри помещения стенда. К емкости 6 подключен трубопровод 11 сетевой воды (подпиточный трубопровод). Возврат охлажденной воды в трубопровод 1 осуществлен через жидкостный эжектор 12, в котором активной средой является оборотная вода, а пассивной - охлажденная вода, подаваемая насосом 9 из емкости 5. Градирни 4 гидравлически соединены между собой трубопроводами 13 с системой запорно-регулирующей арматуры и насосом 14 с возможностью параллельного и последовательного подключения. На циркуляционном трубопроводе 1 установлена буферная емкость 15, частично заполненная водой и находящаяся под давлением.

Емкость 5 соединена трубопроводом 16 с циркуляционным трубопроводом 1 с возможностью байпасной (минуя градирни 4) подачи в зимнее время оборотной воды на охлаждение окружающим воздухом в емкости 5. Для обеспечения работоспособности водооборотной системы при выходе из строя основного насоса 9 в трубопроводе 7 охлажденной воды установлен резервный насос 17.

Работа стенда происходит следующим образом.

Предварительно через трубопровод 11 заполняют сетевой водой накопительную (заправочную) емкость 6, из которой насосом 10 производят заполнение гидравлического контура стенда (циркуляционного трубопровода 1, водораспределительной системы градирен 4 и пр.).

Включают электропитание агрегатов стенда и выполняют испытания насоса 2 в соответствии с ГОСТ 6134-2007.

При работе стенда в результате кавитации и дросселирования воды происходит ее нагрев. Мощность тепловыделения соизмерима мощности электродвигателя испытываемого насоса 2 (до 10 и более МВт), а пропускная способность циркуляционного контура 1 соизмерима подаче насоса 2 (до 10 и более тыс. м³/ч).

Часть нагретой оборотной воды отбирается из циркуляционного контура 1 после дросселя 3 и подается на оросительные форсунки градирен 4. Охлажденная в градирнях 4 вода стекает в емкость 5, откуда закачивается насосом 9 обратно в циркуляционный контур 1, смешиваясь в эжекторе 12 с оборотной водой, в результате чего последняя охлаждается. Для компенсации потерь воды из-за испарения в градирнях 4 осуществляют постоянную (с отрегулированной рассчитанной подачей) или цикличную подпитку водой емкости 5 насосом 10 из емкости 6, пополняемой сетевой водой из трубопровода 11.

По окончании испытаний отключают агрегаты стенда, останавливают насос 2 и закачивают насосом 10 воду из гидравлического контура обратно в накопительную емкость 6 для повторного применения.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает создание простой и компактной конструкции водооборотной системы тепловыделяющего объекта большой мощности, в частности герметичного стенда гидравлических испытаний крупных насосов с большими значениями подачи, напора и кавитационного запаса. При этом снижаются капитальные и эксплуатационные затраты.