ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F01K11/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии за счет теплоты отходящих газов промышленных печей и агрегатов.

Известна тепловая электростанция, простейшая тепловая схема которой включает котельный агрегат, паровую турбину с электрогенератором, конденсатор и насосы перекачки конденсата из конденсатора в котельный агрегат.

Недостатком известной электростанции является необходимость поддержания высоких параметров пара (температуры и давления), что резко усложняет устройство оборудования станции, утяжеляет его и делает более дорогим, обуславливает значительный расход электроэнергии на собственные нужды и большие затраты на содержание установок по химической подготовке питательной воды. Для получения электроэнергии за счет теплоносителей пониженных параметров такая электростанция непригодна. При невысокой температуре отходящих газов печных агрегатов (200-300^оС) возможность получения пара удовлетворительных параметров становится проблематичной, а традиционная схема станции с обычным набором перечисленного оборудования - слишком обременительной, что делает получение электроэнергии нерентабельным. Кроме того, значительные потери рабочего тела (пара и воды) и, следовательно, повышенный расход подпиточной воды, а также подсосы воздуха обуславливают то, что оборудование известных тепловых электростанций подвержено ряду "недугов" (кислородная и углекислотная коррозия металла, отложения солей в пароперегревателе и проточной части турбины), которые снижают их надежность и экономичность.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к изобретению является теплоэнергетическая установка, содержащая объединенные в замкнутую систему котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором, имеющим ротор и статор, конденсатор и устройство для подачи сконденсированного рабочего тела в котел-утилизатор, при этом турбина выполнена с рабочими лопатками, размещенными на валу и расположенными в корпусе, подключенном к системе своими входом и выходом.

Недостатком известного технологического решения является необходимость механического соединения вала ротора паровой турбины, расположенной во внутреннем пространстве замкнутой системы, с валом ротора электрогенератора, расположенного вне этого пространства. Так как идеальных уплотнений для вращающегося вала не существует, то в известной установке будут иметь место утечки пара через уплотнения вала турбины, что требует периодического пополнения ее рабочим телом.

Целью изобретения является повышение экономичности теплоэнергетической установки путем устранения утечек рабочего тела в месте выхода вала турбины из корпуса последней для соединения его с ротором электрогенератора.

Поставленная цель достигается тем, что в теплоэнергетической установке, содержащей объединенные в замкнутую систему котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором, имеющим ротор и статор, конденсатор и устройство для подачи сконденсированного рабочего тела в котел-утилизатор, при этом турбина выполнена с рабочими лопатками, размещенными на валу и расположенными в корпусе, подключенном к системе своими входом и выходом, турбина выполнена зацело с электрогенератором, при этом ротор электрогенератора выполнен в виде вала турбины с размещением на последнем ее рабочих лопаток, выполненных из магнитного материала и установленных на валу с образованием попарно полюсов постоянных магнитов, корпус турбины выполнен в виде замкнутой герметичной оболочки из материала, пропускающего электромагнитные волны, а статор электрогенератора - из стальных пластин с обмотками из медной проволоки, размещенных вокруг корпуса турбины.

На фиг.1 приведена принципиальная схема теплоэнергетической установки; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Теплоэнергетическая установка содержит котел-утилизатор 1, включающий испарительную 2 и пароперегревательную 3 части поверхности нагрева, помещенные в газоход от печного агрегата (на чертежах не показан), паропровод 4, паровую турбину 5, участок корпуса 6 турбины, выполненный из материала, пропускающего электромагнитные волны, статор 7 электрогенератора, конденсатор 8, конденсатопровод 9 с обратным клапаном 10, конденсатный насос 11, выполненный в виде термонасоса, рабочее сопло 12 которого подключен к отпайке 12 от паропровода 4, а камера разрежения 14 - к конденсатопроводу 9. Кроме того, котел-утилизатор 1 снабжен обводным газоходом 15 с распределителем 16 газов. Лопатки 17 рабочего колеса 18 турбины 5 выполнены из магнитного материала и попарно образуют полюса постоянных магнитов, количество пар полюсов (лопаток) может быть различным. Вал 19 турбины, рабочее колесо 18 и лопатки 17 образуют ротор турбины и электрогенератора одновременно.

Теплоэнергетическая установка работает следующим образом.

В смонтированную тепловую схему установки заливается расчетное количество жидкости, например воды, после чего из нее выкачивается воздух и она тщательно закупоривается (герметизируется). При необходимости схема установки может быть снабжена вакуумным насосом. Запуск установки осуществляется плавным переводом горячих дымовых газов с обводного газохода 15 в котел-утилизатор 1 посредством поворота распределителя 16 из крайнего правого положения в какое-то промежуточное. При этом часть горячих газов от печного агрегата начнет протекать через котел-утилизатор 1 и нагревать рабочую жидкость (воду) в испарительной части 2 поверхности нагрева. Образующийся в ней в результате кипения жидкости пар поступает в пароперегревательную часть 3 и далее по паропроводу 4 в турбину 5. Для исключения гидроударов при запуске установки прогрев паропровода и турбины ведут медленно. Одновременно с началом прогрева турбины в конденсатор 8 подают холодную воду или иной охлаждающий агент. По мере прогрева турбины 5 количество пара, его температуру и давление увеличивают с помощью распределителя 16 дымовых газов до тех пор, пока вал турбины не наберет скорость вращения, необходимую для обеспечения заданной частоты электротока в энергосистеме, после чего осуществляют операцию синхронизации и включения электрогенератора в сеть. После включения электрогенератора в энергосистему распределитель 16 газов переходят в крайнее левое положение, в результате чего электрогенератор набирает максимальную нагрузку и работает в базовом режиме, пока не остановится печной агрегат-источник тепловой энергии для котла-утилизатора. Необходимый для работы турбины 5 перепад давления пара достигается работой струйного компрессора (насоса), рабочее сопло 12 которого подключено к отпайке 13 от паропровода 4, а камера разрежения 14 - к конденсатопроводу 9. При этом часть тепловой энергии перегретого пара преобразуется в энергию давления конденсата перед котлом-утилизатором, величина которого может быть значительно выше, чем давление пара перед соплом 12 (Тепловые и атомные электрические станции. Справочник./Под общей ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: Энергоиздат, 1982, с. 526, рис. 7.40.

Использование струйного компрессора (насоса) вместо обычного питательного насоса в известной схеме теплоэнергетической установки позволяет полностью исключить утечки рабочего тела через уплотнения вала насоса, а если привод насоса паровой, то и через уплотнения турбины привода. Кроме того, экономится часть выработанной электроэнергии или пара (при паровом приводе), необходимая на привод питательного насоса.

На перепад давления влияют также высота столба жидкости перед котлом-утилизатором и работа конденсатора. Глубина вакуума после турбины 5 обеспечивается эффективной работой конденсатора 8, на трубки которого непрерывно подают охлажденную оборотную воду. Конденсат собирается в нижней части конденсатора и по конденсатопроводу стекает вниз, где его гидростатическое давление усиливается струйным насосом.

При движении пара через проточную часть турбины 5 его потенциальная и кинетическая энергия преобразуются в механическую энергию вращения ротора турбины. За счет постоянных магнитов, образованных попарно лопатками 17, возникает вращающееся магнитное поле, проникающее через корпус 6 турбины и генерирующее электрический ток в обмотках статора 7 электрогенератора. Таким образом механическая энергия вращения ротора турбины 5 превращается в электрическую энергию. В результате совмещения функций ротора турбины и ротора электрогенератора и размещения вала 19 турбины полностью во внутреннем пространстве замкнутой системы исключается утечка рабочего тела и отпадает необходимость его подпитки.

Использование: в области энергетики для получения электроэнергии за счет теплоты дымовых газов печных агрегатов. Сущность изобретения: установка содержит поверхности нагрева, размещенные в котле-утилизаторе, паровую турбину, конденсатор и устройство для циркуляции теплоносителя, объединенные посредством трубопроводов в замкнутый контур в виде термосифона, а также генератор электрического тока. Лопатки рабочего колеса турбины, расположенного внутри корпуса, выполнен из магнитного материала и попарно образуют полюса постоянных магнитов. Ротор турбины одновременно выполняет функции ротора электрогенератора. Корпус турбины выполнен из материала, пропускающего электромагнитные волны, вокруг него расположен статор электрогенератора. 2 ил.

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая объединенные в замкнутую систему котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором, имеющим ротор и статор, конденсатор и устройство для подачи сконденсированного рабочего тела в котел-утилизатор, при этом турбина выполнена с рабочими лопатками, размещенными на валу и расположенными в корпусе, подключенном к системе своими входом и выходом, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, турбина выполнена зацело с электрогенератором, при этом ротор электрогенератора выполнен в виде вала турбины с размещением на последнем ее рабочих лопаток, выполненных из магнитного материала и установленных на валу с образованием попарно полюсов постоянных магнитов, корпус турбины выполнен в виде замкнутой герметичной оболочки из материала, пропускающего электромагнитные волны, а статор электрогенератора - из стальных пластин с обмотками из медной проволоки, размещенных вокруг корпуса турбины.