СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F22D1/32 

Изобретение относится к энергетической промышленности и может быть применено на тепловых и атомных электростанциях.

Известна система подогрева питательной воды паротурбинных установок, включающая каскад основанных на использовании энтальпии пара подогревателей на участке между концентратором и деаэратором, так называемые подогреватели низкого давления, и еще один аналогичный каскад на участке высокого давления воды - подогреватели высокого давления [Резников М.И., Липов Ю.П. Паровые котлы тепловых электростанций. М. "Энергоиздат", 1981 - 240 с.].

Ее недостатком являются значительные потери энтальпии отработавшего пара паротурбиновой установки, достигающие десятков процентов от тепла, генерируемого в парогенераторе. Потери определяются прежде всего тем, что основная часть тепла фазового перехода отработавшего пара не используется - она теряется в конденсаторах турбин. При энтальпии пара, подаваемого в турбину /когда его давление 24 МПа и температура 570^oC (3410 кДж/кг, энтальпия пара, поступающего в конденсатор, т. е. практически выбрасываемая в окружающую среду и не используемая для полезных целей, составляет 2555 - 2575 кДж/кг.

Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемой является система подогрева паротурбинных установок [авт.свидетельство СССР N 1291786, F 22 D 1832, 1985 г. ]. При этой системе в подогревателях тепло пара используется более полно, чем в широко применяемых системах. Однако основной недостаток - высокие потери с энтальпией отработавшего пара - практически остается.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения степени использования тепла фазового перехода отработавшего пара для подогрева питательной воды.

Для решения поставленной задачи система подогрева питательной воды паротурбинной установки, включающая подогреватели низкого и высокого давления, согласно изобретению дополнительно содержит двухступенчатый подогреватель, первая ступень которого выполнена в виде компрессора, и всасывающий патрубок его соединен паропроводом с одной из последних ступеней турбин, а элементы охлаждения подключены к трубопроводу питательной воды перед нагревателями низкого давления, вторая ступень содержит последовательно размещенные по ходу движения питательной воды насос и струйный аппарат, насос подключен к трубопроводу питательной воды за последним подогревателем высокого давления, причем рабочее сопло струйного аппарата выполнено в виде сопла Лаваля и выходное отверстие диффузора сопла Лаваля размещено в форкамере, дополнительно установленной перед смесительной камерой струйного аппарата, при этом форкамера соединена трубопроводом с системой отвода пара из турбины на сжатие, а смесительная камера соединена с трубопроводом сжатого пара.

Сопло Лаваля может быть выполнено с углом раскрытия диффузора 4 - 5^o и длиной диффузора, определяемой соотношением площадей сечения выходного отверстия и горловины, равным 4 - 5, при этом перед горловиной сопла Лаваля дополнительно установлено закручивающее устройство, соответствующее углу раскрытия факела жидкости, на 1 - 2^o меньшему, чем угол раскрытия диффузора сопла Лаваля.

Вводимый в систему дополнительный двухступенчатый подогреватель обеспечивает возврат в систему части уже отработавшего пара. При этом энтальпия возвращаемого пара используется для подогрева питательной воды.

Первая ступень - компрессор - прежде всего подготавливает пар ко второй ступени обработки в агрегате "насос - струйный аппарат", где пар компримируется, подогревая при этом питательную воду на последней ступени подогревателей высокого давления.

Компрессор, кроме подготовки пара к компримированию во 2-й ступени используется также и для подогрева питательной воды - на 1-й ступени подогревателей низкого давления. Это обеспечивается за счет использования питательной воды для охлаждения элементов компрессора.

Особенности конструкции сопла Лаваля, касающиеся угла раскрытия его диффузорной части и длины этого диффузора, обеспечивают наибольшую эффективность трансформации энтальпии высокотемпературной жидкости в кинетическую энергию струи распыливаемой воды на выходе из сопла и, следовательно, максимальную эжектирующую способность рабочего потока - смеси пара и распыленной жидкости.

На фиг. 1 изображена схема реализации предлагаемой системы подогрева питательной воды; на фиг. 2 - сопло Лаваля, использованное в системе.

Предлагаемая система, так же как и известные системы, включает парогенератор с пароперегревателем и последовательно включенные турбину 2, конденсатор 3, подогреватели низкого давления 4, деаэратор 5, водоподготовительную установку 6, подогреватели высокого давления 7. Система содержит дополнительный двухступенчатый подогреватель. В качестве первой ступени подогрева используется компрессор 8 для сжатия пара, отбираемого из турбины и практически отработавшего в ней. При этом энтальпия пара, отбираемого из турбины и поступающего в компрессор, не теряется - она используется для подогрева питательной воды во 2-ой ступени подогрева. Реализуемый же в 1-ом каскаде подогревателей низкого давления подогрев питательной воды в компрессоре осуществляется за счет использования ее для охлаждения компрессора. Вторая ступень - агрегат "насос-струйный аппарат"- используется на последней ступени подогревателей высокого давления. Насос 9 применен с целью передачи питательной воде дополнительной энергии, необходимой для компримирования струйным аппаратам пара, поступающего из компрессора. В качестве рабочего элемента используется сопло Лаваля 10, в которое подается высокотемпературная питательная вода. Выходное отверстие диффузора сопла Лаваля подключено к форкамере 11, соединяемой с трубопроводом отвода отработавшего пара из турбины.

Компримируемым, конденсирующимся в струйном аппарате паром вода подогревается.

Таких агрегатов "насос-струйный аппарат", используемых в качестве подогревателей высокого давления, может быть несколько. На фиг. 1 показан еще один дополнительный агрегат.

Система работает следующим образом.

Практически отработавший в турбине пар при давлении, например, близком к 0,1 МПа, отводится минуя конденсатор 3 в компрессор 8. В компрессоре пар сжимается до давления, приблизительно равного 3 - 4 МПа. Для охлаждения компрессора используется питательная вода - конденсат, поступающий из конденсатора. При этом конденсат нагревается, чем реализуется 1-я ступень нагрева питательной воды. Затем вода поступает в существующие подогреватели низкого давления и т.д.

Угол раскрытия диффузора сопла Лаваля 10 должен находиться в пределах 4 - 5^o. При угле меньше 4^o часть уже диспергированной жидкости коагулирует в диффузорной части сопла и не обеспечивается требуемая энергопередача от жидкости к эжектируемому пару. При угле раскрытия диффузора больше 5^o ухудшаются условия для преобразования энтальпии жидкости в кинетическую энергию парожидкостного потока, т. е. ухудшается показатели работ сопла Лаваля и в целом струйного аппарата.

Перед конфузором сопла Лаваля устанавливается закручивающее устройство 13 с геометрической характеристикой A, находящейся в пределах 0,01 - 0,02. Эта геометрическая характеристика соответствует углу раскрытия факела жидкости за счет центробежных сил, на 1 - 2^o меньшему, чем угол раскрытия диффузора 16 и в целом - факела.

Наиболее неблагоприятные условия для рассеивания высокотемпературной жидкости создаются в осевой части факела, где поток плотнее, капельки жидкости более крупные. Закручивающее устройство предназначено для рассеивания плотной нераспыленной части факела за счет придания потоку центробежных сил. Если геометрическая характеристика A будет меньше 0,01, ухудшаются условия парообразования в осевой части факела, за счет чего жидкость в этой части плохо диспергируется и ухудшается требуемая энергопередача. Если геометрическая характеристика A больше 0,02, то крупные капли, при которых не обеспечивается необходимое взаимодействие сред, поясняются в периферийной части факела.

Длина диффузора сопла Лаваля определяется из соотношения диаметров - выходного сечения диффузора и горловины. Это отношение должно быть в пределах 4 - 5. Если оно меньше 4, то угол раскрытия факела изменится на выходе из сопла. При этом уменьшится скорость факела. Меньшее количество жидкости перейдет в пар в диффузорной части и за счет этого снизится скорость потока на выходе из сопла. Наиболее высокое преобразование энтальпии жидкости в скорость движения парожидкостного потока обеспечивается при величине этого отношения от 4 до 6...6,5. Однако при значениях от 5 до 6-6,5 оно не прирастает, остается стабильным и при максимальных значениях вызывает лишь необходимость увеличения габаритов сопла Лаваля и в целом всей установки. Поэтому наибольшее отношение диаметров выходного сечения диффузора и горловины должно быть равно 5.

Компримирование пара до давления питательной воды, подаваемой в парогенератор и поступающей к агрегату "насос-струйный аппарат", обеспечивается за счет частичного испарения воды, диспергирования ее и сообщения распыленной жидкости высоких скоростей движения в диффузорной части сопла Лаваля, у выходного сечения которого т.е. в форкамере, за счет соединения последней с трубопроводом отвода отработавшего пара из турбины обеспечивается пониженное давление пара. Поступающий в смесительную камеру 12 высокоскоростной поток эжектирует пар, подаваемый из компрессора. Компримируемый, конденсирующийся пар нагревает питательную воду.

Предлагаемый двухступенчатый подогреватель может быть реализован на ТЭС, парогенераторы которой эксплуатируются при давлении пара 24 МПа и температуре питательной воды 200^oC.

Компрессоров, с помощью которых можно бы было сжать отработавший в турбинах пар до давления 24 МПа /даже предполагая возможную последовательную установку их/ и после этого использовать этот пар вторично, например, для подогрева питательной воды после существующих подогревателей высокого давления, промышленностью не выпускается. Поэтому была применена двухступенчатая система подогрева.

Пар при давлении ≈0,1 МПа, отбираемый из турбины, направляется в компрессор, по своим параметрам подобный, например, компрессору К 1290-121-1 К 890-122-1. Пар в компрессоре сжимается до давления ≈3,5 МПа. Тепло охлаждающей воды не теряется: оно используется для подогрева питательной воды перед подогревателями низкого давления. Это обеспечивается использованием питательной воды для охлаждения компрессора.

Пар при давлении ≈3,5 МПа /чем выше это давление, тем выше показали работы 2-й ступени подогревателя и в целом всей системы подогрева /направляется на 2-ю ступень подогревателя.

Питательная вода подается в сопло Лаваля. Т.к. форкамера соединена с трубопроводом отвода пара из турбины, в этой камере поддерживается давление ≈0,1 МПа. Следовательно, противодавление на выходе парожидкостной смеси из сопла Лаваля 0,1 МПа. Скорость выхода парожидкостной смеси из сопла V₂ м/с определяется в соответствии с зависимостью

где V₁ - скорость движения жидкости в горловине сопла Лаваля, м/с;
i₁ и i₂ - энтальпия жидкости в горловине и на выходе из диффузора сопла, Дж/кг;
η_c - КПД сопла.

Для определения η_c - была проведена серия экспериментов в лабораторных и промышленных условиях. Температура жидкости изменялась от 167 до 191^oC. Жидкость распыливалась в среду, давление в которой было близким к атмосферному. Обработка полученных данных с использованием ЭВМ показала, что КПД сопла Лаваля /в %/ с коэффициентов корреляции 0,92 изменяется в соответствии с зависимостью^*:

где t - температура воды, ^oC.

Для указанных выше условий ТЭС и η_c = 0,18, V₂ = 508 м/с. Для достижения такой скорости истечения жидкости, без использования ее тепла, потребовалось бы давление ≈133 МПа.

Для струйного аппарата справедливо энергетическое соотношение
P_в•V_в•η_aпп = ΔP_п•V_п,
где P_в и V_в - избыточное давление и расход воды;
η_aпп - КПД смешения сред в аппарате; η_aпп = =0,25;
ΔP_п и V_п - перепад давлений и расход пара.

Для расхода пара, равного 1 м³/с: /133 - 24/ • V_в •0,25 = /24 - 3,5/•1, V_в≈0,753 м³ воды на 1 м³ пара.

^* Полученные значения КПД не полностью отражают возможности использования тепла жидкости для обеспечения высоких скоростей истечения ее из сопл. Эти результаты соответствуют углу раскрытия диффузорной части 8^o. Более полное использование тепла жидкости для обеспечения высоких скоростей истечения ее из сопла достигается при меньших углах раскрытия диффузора.

При указанном соотношении расходов жидкости и пара обеспечивается нагрев жидкости на величину около 10^o /может использоваться еще ступень - или ступени - нагрева/.

В расчете на 100 кг/с отбираемого и компримируемого пара энергозатраты составят: на 1-й ступени - около 80 МВт; на 2-й ступени 50 МВт. Общие затраты 130 МВт.

Количество вносимого в систему тепла с паром 265 МВт. Кроме того, 50 - 60 МВт передается системе на 1-й ступени подогрева при охлаждении компрессора.

Таким образом с каждым килограммом ежесекундно отбираемого пара в систему вносится 1,85 - 1,95 МВт /за вычетом затрат на компримирование/.

Для АЭС одна ступень нагрева, как следует из вышеприведенного расчета, обеспечит повышение температуры питательной воды приблизительно на 65^oC.

Мощностью, которую необходимо расходовать на компримирование пара в струйном аппарате, а также частью механической энергии, теряемой в этом аппарате /она затрачивается на нагрев жидкости/, определяется мощность насоса, размещаемого перед струйным аппаратом.

Система подогрева питательной воды предназначена для паротурбинной установки и может быть использована на тепловых и атомных электростанциях. Система состоит из подогревателей низкого и высокого давления и дополнительного двухступенчатого подогревателя. Первая ступень двухступенчатого подогревателя выполнена в виде компрессора, всасывающий патрубок которого соединен с одной из последних ступеней турбины, а элементы охлаждения подключены к трубопроводу питательной воды перед подогревателями низкого давления, вторая ступень содержит последовательно размещенные по ходу движения питательной воды насос и струйный аппарат, насос подключен к трубопроводу питательной воды за последним подогревателем высокого давления, причем рабочее сопло струйного аппарата выполнено в виде сопла Лаваля и выходное отверстие диффузора сопла Лаваля размещено в форкамере, дополнительно установленной перед смесительной камерой струйного аппарата, при этом форкамера соединена трубопроводом с системой отвода пара из турбины на сжатие, а смесительная камера соединена с трубопроводом сжатого пара. Сопло Лаваля выполнено с углом раскрытия диффузора 4-5^o и длиной диффузора, определяемой соотношением площадей сечения выходного отверстия и горловины, равным 4-5, при этом перед горловиной сопла Лаваля дополнительно установлено закручивающее устройство, соответствующее углу раскрытия факела жидкости, на 1-2^o меньшему, чем угол раскрытия сопла Лаваля. С использованием двухступенчатого подогревателя повышается степень использования тепла фазового перехода отработавшего пара для подогрева питательной воды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система подогрева питательной воды паротурбинной установки, включающая подогреватели низкого и высокого давления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит двухступенчатый подогреватель, первая ступень которого выполнена в виде компрессора, и всасывающий патрубок его соединен паропроводом с одной из последних ступеней турбины, а элементы охлаждения подключены к трубопроводу питательной воды перед нагревателями низкого давления, вторая ступень содержит последовательно размещенные по ходу движения питательной воды насос и струйный аппарат, насос подключен к трубопроводу питательной воды за последним подогревателем высокого давления, причем рабочее сопло струйного аппарата выполнено в виде сопла Лаваля и выходное отверстие диффузора сопла Лаваля размещено в форкамере, дополнительно установленной перед смесительной камерой струйного аппарата, при этом форкамера соединена трубопроводом с системой отвода пара из турбины на сжатие, а смесительная камера соединена с трубопроводом сжатого пара. 2. Система подогрева по п.1, отличающаяся тем, что сопло Лаваля выполнено с углом раскрытия диффузора 4-5° и длиной диффузора, определяемой соотношением площадей сечения выходного отверстия и горловины, равным 4-5, при этом перед горловиной сопла Лаваля дополнительно установлено закручивающее устройство, соответствующее углу раскрытия факела жидкости на 1-2° меньшему, чем угол раскрытия диффузора сопла Лаваля.