БАЙПАС ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F01K3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты реализации настоящего изобретения относятся к байпасу турбины и к способу эксплуатации байпаса турбины.

Предпосылки к созданию изобретения

На некоторых тепловых электростанциях, на которых вырабатывают газ или пар под высоким давлением и с высокой температурой, который пропускается через турбину для выработки электроэнергии, поток горячих газов в турбине не может быть мгновенно уменьшен или предотвращен путем простого управления газогенератором. Например, на электростанции с паровой турбиной парогенератор (котел) не может быть мгновенно выключен и вновь запущен. Поэтому в случае отключения турбины на тепловой электростанции, например во время сброса нагрузки, требуется байпас турбины для предотвращения проникновения горячих газов (таких как пар) в турбину.

Известные байпасы турбины включают в себя газоохладитель, который охлаждает обходные газы. Детали газоохладителя подвергаются сильным термическим напряжениям во время начала работы байпаса из-за большой разницы температур между горячими обходными газами и относительно холодными деталями газоохладителя. Поэтому обычным явлением является механическая поломка деталей.

Делались попытки уменьшить температуру обходных газов перед их попаданием в газовый охладитель, однако поломки деталей все же имеют место. Поэтому существует необходимость в улучшенном байпасе турбины.

Сущность изобретения

Применяемое в этом описании и в прилагаемой формуле изобретения в случае, если специально не упоминается «пар», слово «газ» должно пониматься как включающее пар как в виде пара низкого давления, так и в газообразной форме.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается байпас турбины, который содержит:

обходной путь, избирательно применяемый для подачи горячих газов в газоохладитель; и

засыпку из теплопоглощающих элементов, помещенную на обходном пути перед газоохладителем, которая применяется для поглощения тепла из обходящих газов и для уменьшения таким образом температуры обходящих газов перед подачей обходящих газов в газоохладитель.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации байпаса турбины, который содержит:

подачу горячих газов по обходному пути к газоохладителю; и

пропуск обходящих газов через засыпку из теплопоглощающих элементов, помещенную на обходном пути перед газоохладителем, для поглощения тепла из обходящих газов и для уменьшения таким образом температуры обходящих газов перед подачей обходящих газов в газоохладитель.

Газоохладитель подвергается воздействию гораздо более низких температур и, следовательно, пониженным термическим напряжениям при начале работы байпаса системы благодаря тому факту, что температура обходящих газов понижается в засыпке из теплопоглощающих элементов.

Температура засыпки из теплопоглощающих элементов постепенно повышается, когда обходящие газы проходят через засыпку из теплопоглощающих элементов, и количество тепла, отобранного из обходящих газов засыпкой из теплопоглощающих элементов, таким образом постепенно понижается. В результате температура обходящих газов, которые подаются вдоль обходного пути от засыпки из теплопоглощающих элементов до газоохладителя, постепенно повышается. Это постепенное повышение температуры вызывает постепенное повышение температуры компонентов газоохладителя, уменьшая таким образом мгновенные термические напряжения и вероятность в связи с этим механического отказа деталей газоохладителя во время начала работы байпаса турбины.

Засыпка из теплопоглощающих элементов может содержать корпус из низколегированной стали, футерованный обычным огнеупорным материалом, таким как огнеупорный кирпич, с внутренней футеровкой из суперогнеупорного материала, такого как карбид кремния, муллит или глинозем. Элементы, имеющие, например, диаметр от 12 мм до 30 мм, формируются также из твердого суперогнеупорного материала.

Элементы могут опираться на предварительно сформированный слой, содержащий платформу из высоколегированной стали, которая сама может опираться на опоры из высоколегированной стали. С другой стороны или дополнительно, платформа может быть выпуклой (куполообразной) для того, чтобы лучше поддерживать вес элементов. В качестве дальнейшей альтернативы для уменьшения стоимости и затрат на техническое обслуживание засыпка из теплопоглощающих элементов может поддерживаться перфорированным куполом из суперогнеупорного материала, выполненного в форме конусных кирпичей и размещенного по кругу. В этом случае пазы по сторонам собранных кирпичей образуют отверстия для прохождения через них горячих обходящих газов.

Перфорированный опорный слой служит также экраном для того, чтобы более равномерно рассеивать обходящие газы по боковым частям засыпки из теплопоглощающих элементов. Например, отверстия в опорном слое могут быть меньше в середине, чем рядом с краями засыпки из теплопоглощающих элементов.

Байпас турбины может включать в себя охлаждающее приспособление, которое может избирательно применяться для охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов. Охлаждающее приспособление обычно применяется для охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов тогда, когда обходной путь не работает. Засыпка из теплопоглощающих элементов, таким образом, охлаждается после завершения работы байпаса, когда обходящие газы не протекают по обходному пути через засыпку из теплопоглощающих элементов.

Охлаждающее приспособление может избирательно применяться для подачи в засыпку текучего хладагента для охлаждения засыпки. Текучим хладагентом может быть жидкий хладагент, такой как вода или сжиженный азот, и/или газовый хладагент, такой как пар или газообразный азот.

В случае если турбиной является паровая турбина, охлаждающее приспособление может применяться для подачи газового хладагента, предпочтительно пара с относительно низкой температурой, в засыпку из теплопоглощающих элементов, и может после этого применяться для подачи в засыпку из теплопоглощающих элементов жидкого хладагента, такого как вода. Засыпка из теплопоглощающих элементов может включать в себя сток для конденсата, предназначенный для удаления любого конденсата, образованного во время цикла нагрева и охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов. Кроме того, газоохладитель может включать в себя конденсатор, обычно конденсатор сбросного пара.

В случае если турбиной является газовая турбина, охлаждающее приспособление может содержать замкнутый контур охлаждения для рециркуляции текучего охладителя в засыпку из теплопоглощающих элементов и может включать в себя теплообменник, предназначенный для охлаждения рециркулирующего текучего хладагента. Текучим хладагентом, применяемым в замкнутом контуре охлаждения, может быть газ, причем типичным примером является газообразный азот. Кроме того, газоохладитель может содержать теплообменник, например устройство для утилизации сбросного тепла.

Упомянутый способ использования байпаса турбины может также содержать охлаждение засыпки из теплопоглощающих элементов. Операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов может осуществляться тогда, когда газы не подаются по обходному пути к газоохладителю. Как указано выше, это позволяет охлаждать засыпку из теплопоглощающих элементов после завершения обходной операции, в то время как обходящие газы не проходят по обходному пути через засыпку из теплопоглощающих элементов.

Операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов может содержать подачу в засыпку текучего хладагента.

В одном варианте реализации способа операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов содержит первоначальную подачу в засыпку газообразного хладагента, такого как пар, и последующую подачу в нее жидкого хладагента, такого как вода. Это обеспечивает двухступенчатый процесс охлаждения, при котором при первоначальной операции охлаждения газом засыпка из теплопоглощающих элементов охлаждается до промежуточной температуры и последующая операция охлаждения жидкостью обеспечивает дальнейшее охлаждение засыпки из теплопоглощающих элементов.

В другом варианте реализации способа операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов содержит рециркуляцию текучего хладагента в засыпку газообразного хладагента и может содержать отбор тепла от текучего хладагента с использованием теплообменника. Как указано выше, рециркулирующий текучий хладагент обычно используется в виде газообразного хладагента, такого как газообразный азот.

Краткое описание чертежей

Варианты реализации настоящего изобретения будут теперь описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 показан схематический вид одного варианта реализации байпаса турбины; и

на фиг.2 показан другой вариант реализации байпаса турбины.

Подробное описание вариантов реализации изобретения

На фиг.1 проиллюстрирован байпас, образующий часть тепловой электростанции с применением парогенератора 2, который выдает пар под высоким давлением и с высокой температурой для паровой турбины 4 для выработки электроэнергии посредством электрического генератора 5, привод которого осуществляется турбиной 4 через вал 6. Байпас паровой турбины используется для отвода перегретого пара, выработанного в парогенераторе 2, от входа в паровую турбину 4, например, в случае аварийного отключения турбины (известного также как аварийный останов турбины). Турбина 4 может содержать многоступенчатые блоки высокого давления и низкого давления, но они не показаны для удобства иллюстрации.

Байпас паровой турбины включает в себя отводной клапан 8, обходной путь 10 для отвода пара от входа паровой турбины и газоохладитель 12 в форме конденсатора сбросного пара. Пар подается по обходному пути 10 к конденсатору сбросного пара 12, который, как известно, включает в себя вход 14 для охлаждающей воды.

Для уменьшения термического удара в конденсаторе 12 байпас паровой турбины включает в себя засыпку из теплопоглощающих элементов 16, которая должна быть выполнена как цилиндрический сосуд высокого давления с куполообразными верхним и нижним концами, хотя она проиллюстрирована на фиг.1 только схематически. Засыпка из теплопоглощающих элементов 16 помещается на обходном пути 10 перед конденсатором сбросного пара 12 и включает в себя вход для пара 18, предназначенный для приема перегретого обходящего пара из парогенератора, и выпуск для пара 20, через который пар выдается из засыпки из теплопоглощающих элементов 16 в конденсатор сбросного пара 12.

Во время применения байпаса перегретый обходящий пар подается вдоль обходного пути 10 и в засыпку из теплопоглощающих элементов 16 через вход для пара 18. Когда перегретый обходящий пар проходит через засыпку из теплопоглощающих элементов 16, тепло из пара поглощается засыпкой из теплопоглощающих элементов 16, и, таким образом, происходит понижение температуры обходящего пара. Охлажденный обходящий пар подается через выпуск для пара 20 в конденсатор сбросного пара 12, где обходящий пар дополнительно охлаждается обычным образом.

В начале применения байпаса засыпка из теплопоглощающих элементов 18 имеет самую низкую температуру и поглощает значительное количество тепла из обходящего пара. Таким образом, температура обходящего пара значительно снижается до того, как обходящий пар подается по обходному пути 10 через выпуск для пара 20 в конденсатор сбросного пара 12. Детали конденсатора для сбросного пара 12, которые имеют самую низкую температуру в начале применения байпаса, подвергаются таким образом воздействию значительно более низких температур и поэтому уменьшают термические напряжения в начале применения байпаса за счет того факта, что температура обходящего пара понижается засыпкой из теплопоглощающих элементов 16.

Когда обходящий пар продолжает проходить по обходному пути 10 через засыпку из теплопоглощающих элементов 16, температура засыпки 16 повышается, поскольку она поглощает тепло из обходящего пара. Разность температур между засыпкой из теплопоглощающих элементов 18 и обходящим паром постепенно уменьшается. Это уменьшает способность засыпки из теплопоглощающих элементов к поглощению тепла и ведет к постепенному повышению температуры обходящего пара, который выдается по обходному пути 10 через выпуск для пара 20 в конденсатор сбросного пара 12. Это постепенное повышение температуры обходящего пара ведет к постепенному повышению температуры деталей конденсатора сбросного пара 12, уменьшая таким образом термические напряжения и, следовательно, вероятность механического повреждения деталей конденсатора сбросного пара 12.

Засыпка из теплопоглощающих элементов 16 в конечном счете приобретает такую же температуру, как и обходящий пар, и в этой точке тепло больше не поглощается засыпкой из теплопоглощающих элементов 16, так что температура байпаса будет по существу равна температуре на входе для пара 18 и выпуске для пара 20. Температура обходящего пара, выпущенного по обходному пути 10 в конденсатор сбросного пара 12, будет поэтому по существу равна температуре пара, выработанного парогенератором. В этот момент, однако, детали конденсатора сбросного пара 12 постепенно повышаются, обеспечивая сведение к минимуму термической усталости деталей.

Засыпка из теплопоглощающих элементов 16 содержит корпус из низколегированной стали 21, футерованный обычным огнеупорным материалом 22, таким как огнеупорный кирпич, с внутренней футеровкой 23 из суперогнеупорного материала, такого как карбид кремния, муллит или глинозем. Элементы 24, имеющие, например, диаметр от 12 мм до 30 мм, формируются также из твердого суперогнеупорного материала.

Элементы 24 опираются на перфорированный опорный слой 26, содержащий платформу из высоколегированной стали, которая сама может опираться на опоры из высоколегированной стали (не показаны). Перфорированный опорный слой 26 служит также экраном для того, чтобы более равномерно рассеивать обходящий пар по боковым частям теплопоглощающих элементов 24 засыпки из теплопоглощающих элементов 16, и для этого отверстия в опорном слое 26 могут быть меньше в середине, чем рядом с краями, что показано схематически. Перфорированный верхний слой 28, сходный с перфорированным опорным слоем 26, также помещается над теплопоглощающими элементами 24.

Альтернативным способом поддержки массы теплопоглощающих элементов в засыпке является использование перфорированного купола, выпуклого кверху (не показан), который может быть выполнен из высоколегированной стали. С другой стороны, как уже известно в технике, купол для поддержки теплопоглощающих элементов может содержать суперогнеупорный материал, выполненный в форме конусных кирпичей и размещенный по кругу. В этом случае пазы по сторонам собранных кирпичей образуют отверстия для прохождения горячего обходящего пара через купол и в теплопоглощающие элементы.

После завершения применения байпаса, когда обходящий пар больше не подается по обходному пути 10 через засыпку из теплопоглощающих элементов 16 в конденсатор сбросного пара, необходимо охладить засыпку из теплопоглощающих элементов 16 так, чтобы она могла охлаждать обходящий пар во время первоначальных стадий последующего применения байпаса. Байпас паровой турбины включает в себя охлаждающее приспособление для этой цели.

Охлаждающее приспособление включает в себя первый вход 30 для текучего охладителя в основании засыпки из теплопоглощающих элементов 16, который выдает охлаждающий пар (обычно пар низкого давления) в засыпку из теплопоглощающих элементов 16, и второй вход 32 для текучего охладителя поверх засыпки из теплопоглощающих элементов 16, который выдает охлаждающую воду в засыпку из теплопоглощающих элементов 16. Во время работы охлаждающего приспособления охлаждающий пар первоначально подается в засыпку из теплопоглощающих элементов 16 для ее охлаждения до первой температуры перед тем, как в засыпку из теплопоглощающих элементов 16 будет подана охлаждающая вода для ее дальнейшего охлаждения до нужной температуры. Специалист в области проектирования теплоэлектростанций поймет, что такой охлаждающий пар может быть получен из источника пара низкого давления в любом месте на теплоэлектростанции. Засыпка из теплопоглощающих элементов 16 включает в себя сток 34 для удаления охлаждающей воды, а также конденсата, образуемого во время цикла нагрева и охлаждения теплопоглощающих элементов 24.

На фиг.2 проиллюстрирован байпас, образующий часть теплоэлектростанции с применением источника 40, который вырабатывает газ под высоким давлением и с высокой температурой, такой как азот. Газ подается непосредственно в газовую турбину 42 для выработки электроэнергии в электрическом генераторе 43, привод которого осуществляется турбиной 42 с помощью вала 44. Турбина 42 может содержать многоступенчатые блоки высокого давления и низкого давления, но они не показаны для удобства иллюстрации. Байпас газовой турбины используется для отклонения газа под высоким давлением и с высокой температурой, например воздуха или азота, от входа газовой турбины 42, например, во время аварийного отключения турбины (известного также как аварийный останов турбины).

Байпас турбины включает в себя отводной клапан 46, обходной путь 50 для отвода обходящих газов от входа в газовую турбину и газоохладитель 52 в форме теплообменника, который может быть частью устройства утилизации сбросного тепла. Обходящие газы подаются по обходному пути 50 к теплообменнику 52, который, как известно, сам по себе включает охлаждающий контур 54, питаемый таким хладагентом, как вода.

Байпас газовой турбины включает в себя засыпку из теплопоглощающих элементов 56, которая сходна по конструкции и применению с засыпкой из теплопоглощающих элементов 1. Засыпка из теплопоглощающих элементов 56 помещается на обходном пути 50 перед теплообменником 52 и включает в себя газовый вход 58, предназначенный для приема горячих обходящих газов и газовый выпуск 60, через который газы выдаются из засыпки из теплопоглощающих элементов 56 в теплообменник 52.

Во время применения байпаса горячие обходящие газы подаются по обходному пути 50 и в засыпку из теплопоглощающих элементов 56 через газовый вход 58. Когда горячие обходящие газы проходят сквозь засыпку из теплопоглощающих элементов 56, тепло отбирается от газов засыпкой из теплопоглощающих элементов 56, и это ведет к снижению температуры обходящих газов. Охлажденные обходящие газы передаются через газовый выпуск 60 к теплообменнику 52, где может быть утилизировано сбросное тепло.

Засыпка из теплопоглощающих элементов 56 действует точно так же, как засыпка из теплопоглощающих элементов 16, для отбора тепла от обходящих газов и снижения таким образом температуры обходящих газов при начале применения байпаса. Когда засыпка из теплопоглощающих элементов 56 нагревается во время применения байпаса, величина охлаждения, которое обеспечивается засыпкой из теплопоглощающих элементов 56, снижается. Это было уже полностью описано со ссылкой на фиг.1 и для этого не требуется дальнейших объяснений.

После завершения применения байпаса, когда обходящие газы больше не подаются по обходному пути 50 через засыпку из теплопоглощающих элементов 56 в теплообменник 52, необходимо охладить засыпку по причинам, уже описанным выше. Байпас газовой турбины включает в себя для этой цели охлаждающее приспособление.

Охлаждающее приспособление содержит замкнутый охлаждающий контур 62, который подает в засыпку из теплопоглощающих элементов рециркулирующий газовый хладагент, такой как газообразный азот. Охлаждающее приспособление включает в себя теплообменник 64, который охлаждает рециркулирующий газовый хладагент с помощью охлаждающего контура 65, через который проходит такой хладагент, как вода, как это само по себе известно. Насос 66 применяется для продувки газообразного хладагента по замкнутому охлаждающему контуру 62.

Хотя в предыдущих параграфах были описаны варианты реализации настоящего изобретения, следует понимать возможность внесения различных модификаций в эти варианты реализации без отклонения от объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Байпас турбины содержит обходной путь, избирательно применяемый для подачи горячих газов в газоохладитель, и засыпку из теплопоглощающих элементов, помещенную на обходном пути перед газоохладителем, при этом засыпка содержит теплопоглощающие элементы, расположенные между перфорированными опорными слоями для равномерного рассеивания обходящего пара по боковым частям теплопоглощающих элементов в засыпке. Изобретение позволяет уменьшить температуру обходящих газов перед подачей обходящих газов в газоохладитель. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Байпас турбины, содержащий:
обходной путь, избирательно применяемый для подачи горячих газов в газоохладитель; и
засыпку из теплопоглощающих элементов, помещенную на обходном пути перед газоохладителем, которая применяется для поглощения тепла из обходящих газов и для уменьшения таким образом температуры обходящих газов перед подачей обходящих газов в газоохладитель, при этом засыпка содержит теплопоглощающие элементы, расположенные между перфорированными опорными слоями для равномерного рассеивания обходящего пара по боковым частям теплопоглощающих элементов в засыпке.

2. Байпас турбины по п.1, в котором байпас турбины включает в себя охлаждающее приспособление, избирательно применяемое для охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов.

3. Байпас турбины по п.2, в котором может применяться охлаждающее приспособление для охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов в то время, когда обходной путь не применяется.

4. Байпас турбины по п.2, в котором охлаждающее приспособление избирательно применяется для подачи текучего хладагента в засыпку из теплопоглощающих элементов для охлаждения засыпки.

5. Байпас турбины по любому из пп.2-4, в котором турбина является паровой турбиной.

6. Байпас турбины по п.5, в котором газоохладитель содержит конденсатор.

7. Байпас турбины по любому из пп.2-4, в котором турбина является газовой турбиной.

8. Байпас турбины по п.7, в котором газоохладитель содержит теплообменник.

9. Байпас турбины по п.7, в котором охлаждающее приспособление содержит замкнутый контур охлаждения для рециркуляции текучего охладителя в засыпку из теплопоглощающих элементов и включает в себя теплообменник, предназначенный для охлаждения рециркулирующего текучего хладагента.

10. Теплоэлектростанция, включающая в себя байпас турбины по любому предшествующему пункту.

11. Способ эксплуатации байпаса турбины, содержащий:
подачу горячих газов по обходному пути к газоохладителю; и
пропуск обходящих газов равномерно через засыпку из теплопоглощающих элементов, помещенную на обходном пути перед газоохладителем, для поглощения тепла из обходящих газов и для уменьшения таким образом температуры обходящих газов перед подачей обходящих газов в газоохладитель, при этом используют засыпку, содержащую теплопоглощающие элементы, расположенные между перфорированными опорными слоями для равномерного рассеивания обходящего пара по боковым частям теплопоглощающих элементов в засыпке.

12. Способ эксплуатации по п.11, в котором способ дополнительно содержит охлаждение засыпки из теплопоглощающих элементов.

13. Способ эксплуатации по п.12, в котором операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов осуществляется в то время, когда газы не подаются по обходному пути в газоохладитель.

14. Способ эксплуатации по п.12 или 13, в котором операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов содержит подачу текучего хладагента в засыпку из теплопоглощающих элементов.

15. Способ эксплуатации по п.14, в котором операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов содержит первоначальную подачу газообразного хладагента в засыпку из теплопоглощающих элементов и последующую подачу жидкого хладагента в засыпку из теплопоглощающих элементов.

16. Способ эксплуатации по п.14, в котором операция охлаждения засыпки из теплопоглощающих элементов содержит рециркуляцию текучего хладагента в засыпку из теплопоглощающих элементов и отбор тепла от текучего хладагента в теплообменнике.