УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА ДЛЯ ТУРБИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F22G5/16 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Данное изобретение относится к генераторам паровой турбины и, более конкретно, к установкам, используемым для производства перегретого пара для генератора паровой турбины.

[0002] В обычной установке парообразования для генератора паровой турбины вода сначала подается к водонагревателю, а затем нагретая вода подается к парогенератору, в котором вода кипятится с обеспечением производства пара. Указанный пар подается к пароперегревателю, который затем перегревает его. Перегретый пар передается дальше к паровой турбине.

[0003] Температура парогенератора регулируется благодаря постоянному наличию в парогенераторе воды. Пока в парогенераторе имеется вода, он никогда не перегревается.

[0004] Однако пароперегреватель выполняет регулирование собственной внутренней температуры частично путем выпуска перегретого пара. Другими словами, при попытке ограничения расхода перегретого пара, выходящего из пароперегревателя, последний перегревается.

[0005] Можно попытаться регулировать температуру пароперегревателя путем регулирования объема горючих материалов или количества электричества, подаваемого к пароперегревателю. Однако, кроме того, необходимо обеспечить возможность выпуска пароперегревателем перегретого пара при любом расходе, который необходим для текущего регулирования температуры пароперегревателя. В результате перегретый пар, произведенный пароперегревателем, часто выпускается при температуре, превышающей оптимальную температуру для паровой турбины. В некоторых случаях перегретый пар может иметь температуру, значительно превышающую температуру, которую может выдержать паровая турбина.

[0006] С учетом этих обстоятельств типичная установка парообразования должна содержать пароохладители, обеспечивающие охлаждение перегретого пара на выходе пароперегревателя, прежде чем указанный пар достигнет турбины. В типичном пароохладителе для обеспечения охлаждения перегретого пара в него просто впрыскивается вода. Несмотря на то что это эффективно снижает температуру перегретого пара до температуры, которая является оптимальной для паровой турбины, однако использование воды в пароохладителе для обеспечения охлаждения перегретого пара по существу означает получение отработанного тепла. Другими словами, использование пароохладителя приводит к неэффективности или потерям энергии в установке. Такие типичные установки известны, например, из патентов США №2855756, №4208882 и №6062017 и патента Германии №821495, причем ближайшим аналогом заявляемого изобретения можно считать патент США №2855756.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В одном аспекте изобретение может быть выполнено в виде установки, предназначенной для производства перегретого пара для турбины и содержащей пароперегреватель, который принимает пар от парогенератора и производит перегретый пар. Указанная установка также содержит теплообменник, который принимает по меньшей мере часть перегретого пара, произведенного пароперегревателем, и подаваемую воду. Теплообменник передает тепло от перегретого пара к воде, так что температура перегретого пара понижается, а температура воды повышается.

[0008] В другом аспекте изобретение может быть выполнено в виде установки, предназначенной для производства перегретого пара для турбины и содержащей пароперегреватель, который принимает пар от парогенератора и производит перегретый пар. Кроме того, указанная установка содержит первый теплообменник, который также присоединен к пароперегревателю, так что он может принимать по меньшей мере часть перегретого пара, произведенного пароперегревателем, и который присоединен к системе водоснабжения. Первый теплообменник передает тепло от перегретого пара к воде, так что температура перегретого пара понижается, а температура воды повышается. Установка дополнительно содержит второй теплообменник, который присоединен к пароперегревателю, так что он может принимать по меньшей мере часть перегретого пара, произведенного пароперегревателем, и который, кроме того, присоединен к первому теплообменнику, так что он может принимать воду, прошедшую через первый теплообменник. Второй теплообменник передает тепло от перегретого пара к воде, полученной от первого теплообменника, так что температура перегретого пара понижается, а температура воды повышается. Установка также содержит коллектор, который принимает и смешивает перегретый пар после его прохождения через первый и второй теплообменники с обеспечением создания смеси перегретого пара.

[0009] В другом аспекте данное изобретение может быть выполнено в виде способа производства перегретого пара для турбины, который включает этапы производства перегретого пара в пароперегревателе и направление части перегретого пара через по меньшей мере один теплообменник для обеспечения передачи тепла от перегретого пара к потоку воды. При этом температура воды повышается, а температура части перегретого пара понижается. Способ также включает обеспечение подачи перегретого пара к турбине после его прохождения через указанный по меньшей мере один теплообменник.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Фиг.1 изображает блок-схему установки парового генератора и турбины известного уровня техники,

[0011] фиг.2 изображает блок-схему первого варианта выполнения установки парового генератора и турбины, в которой в качестве пароохладителя используется теплообменник,

[0012] фиг.3 изображает блок-схему альтернативного варианта выполнения установки парового генератора и турбины, в которой в качестве пароохладителя используется теплообменник, и

[0013] фиг.4 изображает блок-схему другого альтернативного варианта выполнения установки парового генератора и турбины, в которой в качестве пароохладителя используется несколько теплообменников.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] На фиг.1 изображена известная установка, содержащая парогенератор и турбину. В известной установке система 100 водоснабжения подает воду к водонагревателю 110, который нагревает ее и подает к парогенератору 120. Указанный парогенератор кипятит воду и производит пар, направляемый к пароперегревателю 130. Как объяснено выше, вследствие того, что пароперегреватель должен выпускать перегретый пар при любом расходе и температуре, которые необходимы для регулирования его собственной внутренней температуры, пароперегреватель 130 часто выпускает перегретый пар при температуре, превышающей желательную температуру для турбины.

[0015] Соответственно, в известной установке пар, произведенный в пароперегревателе 130, проходит через пароохладитель 140 на пути к турбине 150. Если температура перегретого пара, выходящего из пароперегревателя 130, является слишком высокой, то пароохладитель 140 впрыскивает в пар воду для обеспечения снижения его температуры. Впрыснутая в перегретый пар вода испаряется, и происходящее фазовое изменение понижает температуру перегретого пара. Пароохладитель 140 может использовать воду из системы 100 водоснабжения или из какой-либо другой части в данной установке.

[0016] После снижения температуры перегретого пара пароохладителем 140 до приемлемого уровня, перегретый пар подается к турбине 150, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.

[0017] Пар, используемый для приведения в действие турбины 150, выходит из турбины либо в виде пара с более низкой температурой, либо в виде воды, либо в виде их смеси, при этом выходной продукт направляется к конденсатору 160. Затем конденсатор 160 преобразует любой оставшийся пар в воду, которая возвращается к парогенератору 120. Как показано пунктирной линией на фиг.1, в некоторых случаях вода может быть возвращена к водонагревателю 110, в котором она нагревается перед подачей обратно к парогенератору 120.

[0018] В идеальном случае желательно обеспечить поглощение тепловой энергии, которая должна быть отведена от перегретого пара для обеспечения снижения его температуры до температуры, приемлемой для турбины. Одним способом выполнения такого поглощения является использование установки, изображенной на фиг.2. В этой установке для передачи избыточного тепла перегретого пара к конденсируемой воде, возвращаемой к парогенератору, используется теплообменник (на чертежах также обозначенный «ТО»).

[0019] Как показано на фиг.2, указанная установка тоже содержит систему 100 водоснабжения, водонагреватель 110, парогенератор 120 и пароперегреватель 130. Однако вместо проведения перегретого пара через пароохладитель в этой установке перегретый пар на его пути к турбине 150 полностью или частично направляется через теплообменник 170. Вода из конденсатора 160 также проводится через теплообменник 170. В результате тепло от перегретого пара, выходящего из пароперегревателя 130, передается к воде, идущей от конденсатора 160 обратно к парогенератору 120. Затем перегретый пар при более низкой температуре подается к турбине 150. В результате тепловая энергия, которую необходимо отвести от перегретого пара, передается к воде, возвращаемой к парогенератору 120, благодаря чему снижается объем энергии, который должен расходоваться парогенератором для преобразования конденсированной воды обратно в пар.

[0020] Как показано на фиг.2, на пути к теплообменнику 170 расположен регулирующий клапан 180. Кроме того, выполнен тракт для прохождения пара непосредственно от пароперегревателя 130 к турбине 150, и в этом тракте расположен регулирующий клапан 182. Если пар, произведенный пароперегревателем 130, уже имеет температуру, оптимальную для турбины 150, то тогда регулирующий клапан 180 может быть полностью закрыт, а регулирующий клапан 182 может быть полностью открыт, так что весь перегретый пар, произведенный пароперегревателем 130, проходит непосредственно к турбине 150. Как вариант, если температура перегретого пара, произведенного пароперегревателем 130, слишком высока, то часть перегретого пара может быть направлена через теплообменник 170, а затем снова смешана с другой частью перегретого пара с обеспечением создания смеси перегретого пара, который имеет идеальную для турбины 150 температуру. Путем выборочного открытия или закрытия регулирующих клапанов 180, 182 через теплообменник могут направляться выбранные объемы перегретого пара, так что смесь перегретого пара поступает в турбину 150 при заданной температуре.

[0021] В варианте выполнения, изображенном на фиг.2, на пути к теплообменнику 170 расположен первый температурный датчик TS1. Это позволяет установке определять температуру перегретого пара, выходящего из пароперегревателя. В альтернативных вариантах выполнения первый температурный датчик TS1 может быть расположен на пути, ведущем непосредственно к турбине 150.

[0022] Кроме того, смежно со входом в турбину 150 расположен второй температурный датчик TS2. Это позволяет установке определять температуру смеси перегретого пара, которая поступает в турбину 150.

[0023] Фиг.3 изображает альтернативный вариант выполнения установки, которая содержит пароохладитель в виде теплообменника. В установке, изображенной на фиг.3, также как в установке, изображенной на фиг.2, перегретый пар, выходящий из пароперегревателя 130, может быть полностью или частично направлен непосредственно к турбине 150 или может быть проведен через теплообменник 170.

[0024] В изображенной на фиг.3 установке на выходе пароперегревателя выполнен первый температурный датчик TS1. Как отмечено выше, в альтернативных вариантах выполнения первый температурный датчик TS1 может быть расположен на пути, ведущем непосредственно к турбине 150. На выходе теплообменника 170 выполнен второй температурный датчик TS2, обеспечивающий определение температуры пара после его прохождения через теплообменник 130. Таким образом, сравнение температур, измеренных первым и вторым температурными датчиками, показывает, какое количество тепла было отведено в теплообменнике.

[0025] На входе в турбину 150 выполнен третий температурный датчик TS3. Когда части перегретого пара проводятся по двум отдельным путям, один из которых ведет непосредственно к пароперегревателю 130, а второй проходит через теплообменник 170, третий температурный датчик TS3 обеспечивает измерение температуры смеси двух частей пара. Различные температуры, измеренные первым, вторым и третьим температурными датчиками, используются для обеспечения управления двумя регулирующими клапанами 180 и 182 для изменения объемов перегретого пара, проходящего по двум путям, так что температура перегретого пара, подаваемого к турбине 150, является оптимальной.

[0026] Кроме того, в изображенной на фиг.3 установке вода, выходящая из конденсатора 160, может проходить по двум отдельным путям. Вода, выходящая из конденсатора 160, может полностью или частично проводиться через теплообменник 170. Как вариант, вода может полностью или частично проводиться по перепускному каналу, который идет в обход теплообменника 170. На входе в теплообменник 170 расположен первый водорегулирующий клапан 184, а в перепускном канале расположен второй водорегулирующий клапан 186. Первый водорегулирующий клапан 184 и второй водорегулирующий клапан 186 могут выборочно открываться или закрываться для обеспечения проведения требуемого объема воды через теплообменник.

[0027] Например, если температура перегретого пара, выходящего из пароперегревателя 130, уже является оптимальной, то весь перегретый пар направляется непосредственно к турбине 150. Поскольку в этом случае отсутствует необходимость в охлаждении перегретого пара в теплообменнике 170, то прохождение воды из конденсатора 160 через теплообменник 170 может вызвать ее нежелательное охлаждение или может потребовать дополнительной энергии для нагнетания воды, что также означает возникновение потерь. При отсутствии необходимости в охлаждении какого бы то ни было количества перегретого пара в теплообменнике 170 вода из конденсатора 160 может просто проводиться по перепускному каналу непосредственно к парогенератору 120 путем полного закрытия первого водорегулирующего клапана 184 и полного открытия второго водорегулирующего клапана 186.

[0028] Естественно, первый и второй водорегулирующие клапаны также могут выборочно открываться до различной степени для обеспечения проведения первой части воды из конденсатора 160 через теплообменник 170 и проведения второй части воды через перепускной канал. Это может выполняться для регулирования объема или расхода воды, проходящей через теплообменник 170, с обеспечением регулирования, таким образом, объема тепла, передаваемого от перегретого пара к воде.

[0029] Фиг.4 изображает еще один вариант выполнения установки, в которой для охлаждения перегретого пара, выходящего из пароперегревателя 130, используется пароохладитель. В этом варианте выполнения перегретый пар, выходящий из пароперегревателя 130, подается к распределительному коллектору 190. Указанный распределительный коллектор 190 может направлять заданные объемы перегретого пара к первому теплообменнику 172, второму теплообменнику 174, третьему теплообменнику 176 или непосредственно к турбине 150. Для регулирования объема пара, проходящего по различным отдельным путям, используются парорегулирующие клапаны 181, 183, 185 и 187.

[0030] Кроме того, в изображенной на фиг.4 установке вода из конденсатора 170 сначала проходит через первый теплообменник 172, а затем через первый утилизационный теплообменник 179, который использует отработанное тепло для повышения температуры воды. Отработанное тепло принимается/забирается от какой-либо другой части энергоустановки. В результате температура воды, поступающей во второй теплообменник 174, превышает температуру воды, поступающей в первый теплообменник 172.

[0031] Аналогичным образом, между вторым теплообменником 174 и третьим теплообменником 176 расположен второй утилизационный теплообменник 177. Указанный теплообменник 177 также использует отработанное тепло для обеспечения повышения температуры воды. В результате вода, поступающая в третий теплообменник 176, имеет температуру, которая превышает температуру воды, поступающей в первый теплообменник 172 или второй теплообменник 174.

[0032] В изображенной на фиг.4 установке части перегретого пара, выходящего из пароперегревателя 130, могут проходить через один или более из первого, второго и третьего теплообменников в зависимости от того, какой вариант обеспечивает наиболее эффективное использование тепла в установке. В некоторых случаях может быть желательным провести весь перегретый пар или его часть через первый теплообменник 172, в котором имеет место наибольший перепад температур между перегретым паром и водой. В других случаях может быть более эффективно провести весь перегретый пар или его часть через третий теплообменник 176, в котором перепад температур между перегретым паром и водой не такой большой.

[0033] Изображенная на фиг.4 установка также содержит первый температурный датчик TS1, расположенный на выходе пароперегревателя. На выходах трех теплообменников расположены второй, третий и четвертый температурные датчики TS2, TS3 и TS4. На выходе коллектора 190, на пути, ведущем непосредственно к турбине 150, расположен пятый температурный датчик TS5. Кроме того, на входе в турбину 150 может быть расположен шестой температурный датчик TS6. Шестой температурный датчик TS6 может использоваться для определения температуры пара после смешивания пара, проходящего по различным путям.

[0034] Изображенная на фиг.4 установка также содержит регулирующие клапаны 201, 203, 205, расположенные на выходных сторонах первого, второго и третьего теплообменников. Эти регулирующие клапаны выполнены для обеспечения возможности отсоединения каждого отдельного теплообменника от других теплообменников. Эти клапаны являются необязательными и в альтернативных вариантах выполнения могут отсутствовать.

[0035] В альтернативных вариантах выполнения некоторые из указанных температурных датчиков могут быть исключены. В любом случае объемы перегретого пара, проходящего через первый, второй и третий теплообменники непосредственно к турбине, выборочно регулируются исходя из измеренной температуры для обеспечения подачи перегретого пара к турбине 150 при оптимальной температуре.

[0036] Хотя на фиг.4 это не показано, изображенная на ней установка также может содержать перепускные каналы для конденсированной воды, проходящей от конденсатора 160 обратно к парогенератору 120. Такие перепускные каналы, как показано на фиг.3, могут быть выполнены вокруг одного или всех теплообменников.

[0037] Кроме того, несмотря на то что вариант выполнения, изображенный на фиг.4, содержит три теплообменника, в альтернативных вариантах выполнения могут быть выполнены только два теплообменника. Более того, может быть выполнено больше трех теплообменников.

[0038] Кроме того, в варианте выполнения, изображенном на фиг.4, используются два утилизационных теплообменника 177, 179, которые обеспечивают передачу тепла, полученного от источников отработанного тепла, к воде, возвращаемой в парогенератор. В альтернативных вариантах выполнения может не быть ни одного из указанных утилизационных теплообменников, может быть выполнен только один утилизационный теплообменник или могут быть выполнены дополнительные утилизационные теплообменники. Кроме того, в альтернативных вариантах выполнения, если в установке имеются утилизационные теплообменники, они могут быть расположены в различных местоположениях в указанной установке.

[0039] Кроме того, несмотря на то что изображенные в вышеописанных вариантах выполнения теплообменники используются для нагревания воды, возвращаемой в парогенератор 120, в альтернативных вариантах выполнения тепло, отводимое от перегретого пара, может использоваться в пределах всей установки для других преимущественных целей. Важным моментом является тот факт, что снижение температуры перегретого пара достигается путем отвода тепла от перегретого пара и последующего использования этого тепла для полезных целей.

[0040] Несмотря на то что данное изобретение описано применительно к варианту выполнения, считающемуся в настоящее время наиболее практичным и предпочтительным, следует понимать, что изобретение не ограничено описанным вариантом выполнения, а наоборот, охватывает различные модификации и эквивалентные конструкции, находящиеся в рамках идеи и объема прилагаемой формулы изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ 100 система водоснабжения 110 водонагреватель 120 парогенератор 130 пароперегреватель 140 пароохладитель 150 турбина 160 конденсатор 170 теплообменник 172 первый теплообменник 174 второй теплообменник 176 третий теплообменник 177 второй утилизационный теплообменник 179 первый утилизационный теплообменник 180 регулирующий клапан 181 парорегулирующий клапан 182 регулирующий клапан 183 парорегулирующий клапан 184 первый водорегулирующий клапан 185 паровой клапан 186 второй водорегулирующий клапан 187 парорегулирующий клапан 190 распределительный коллектор 201 регулирующий клапан 203 регулирующий клапан 205 регулирующий клапан

Изобретение предназначено для производства пара для турбины электрического генератора и содержит пароперегреватель, который принимает пар от парогенератора и перегревает его. Затем перегретый пар, выходящий из пароперегревателя, полностью или частично проводится через теплообменник для обеспечения передачи некоторого количества тепловой энергии перегретого пара потоку воды. Это понижает температуру перегретого пара до температуры, приемлемой для турбины. Вода, нагретая в теплообменнике, может быть конденсированной водой, которая уже прошла через турбину, и может быть проведена к парогенератору, где она снова превращается в пар. Технический результат изобретения - повышение эффективности использования тепла в установке. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка для производства перегретого пара для турбины, содержащая:
пароперегреватель, который принимает пар от парогенератора и производит перегретый пар;
первый теплообменник, присоединенный к пароперегревателю с возможностью приема по меньшей мере части перегретого пара, произведенного пароперегревателем, а также присоединенный к системе водоснабжения, при этом первый теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла от перегретого пара к воде, так что температура перегретого пара понижается, а температура воды повышается;
второй теплообменник, присоединенный к пароперегревателю с возможностью приема по меньшей мере части перегретого пара, произведенного пароперегревателем, а также присоединенный к первому теплообменнику так, что он выполнен с возможностью приема воды, прошедшей через первый теплообменник, при этом второй теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла от перегретого пара к воде, полученной от первого теплообменника, так что температура перегретого пара понижается, а температура воды повышается;
коллектор, выполненный с возможностью приема и смешивания перегретого пара после его прохождения через первый и второй теплообменники с обеспечением создания смеси перегретого пара.

2. Установка по п.1, дополнительно содержащая распределительный коллектор, выполненный с возможностью принятия перегретого пара, выходящего из пароперегревателя, и направления заданных объемов перегретого пара к первому теплообменнику и второму теплообменнику.

3. Установка по п.1, дополнительно содержащая:
первый температурный датчик для определения температуры перегретого пара, выходящего из пароперегревателя;
второй температурный датчик для определения температуры смеси перегретого пара, которая поступает в турбину.

4. Способ производства перегретого пара для турбины, который включает этапы:
производства перегретого пара в пароперегревателе;
направление части перегретого пара через по меньшей мере один теплообменник для обеспечения передачи тепла от перегретого пара к потоку воды, чтобы повысить температуру воды и понизить температуру части перегретого пара; и
обеспечение подачи перегретого пара к турбине после его прохождения через указанный по меньшей мере один теплообменник.