ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2020 года по МПК F01K23/08 F01K25/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства электроэнергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В паросиловой установке тепловой электростанции (ТЭС), содержащей топочный котел с пароперегревателем, паровую турбину, конденсатор и питательный насос, в которой перегрев пара осуществляется в пароперегревателе топочного котла, теплоносителями являются продукты сгорания топлива и пар с высокой разницей давлений (см., например, Тепловые и Атомные электростанции. Справочник. Кн. 3. изд. Издательство МЭИ, 2007).

К недостаткам можно отнести высокие механические напряжения стенки пароперегревателя, так как разница давлений между перегретым паром и продуктами сгорания топочного котла высока, что ограничивает начальную температуру перегретого пара из-за резкого снижения прочности металла пароперегревателя с ростом температуры, а использование высокотемпературных керамических теплообменников в настоящее время затруднительно, так как они не обеспечивают газоплотности конструкции даже при небольших избыточных давлениях.

Известна принимаемая в качестве прототипа паросиловая установка (см., например, Нечеткий А.В., Высокотемпературные теплоносители, М., Энергия, 1971, с. 447-450), высокотемпературная паросиловая установка, содержащая топочный котел, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, циркуляционный контур жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров, включающий высокотемпературный теплообменник топочного котла, насос, высокотемпературный пароперегреватель, содержащий вход и выход пара, вход и выход жидкого теплоносителя.

К недостаткам прототипа можно отнести высокие механические напряжения стенки высокотемпературного пароперегревателя, так как разница давлений между перегретым паром и жидким теплоносителем высока.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности теплосиловой установки.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение температуры перегретого пара высокого давления.

Технический результат достигается тем, что в высокотемпературную паросиловую установку, содержащую топочный котел, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, циркуляционный контур жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров, включающий высокотемпературный теплообменник топочного котла, насос, высокотемпературный пароперегреватель, содержащий вход и выход пара, вход и выход жидкого теплоносителя, дополнительно введены:

гидротурбина, входом соединенная с выходом жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя, выходом соединенная с входом высокотемпературного теплообменника топочного котла;

гидравлическая муфта с регулируемым передающим моментом вращения, соединяющая вал насоса и гидротурбины;

причем вход насоса соединен с выходом высокотемпературного теплообменника топочного котла, выход соединен с входом жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя, вход пара высокотемпературного пароперегревателя соединен с пароперегревателем топочного котла, выход пара соединен с паровой турбиной.

При этом давление жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе максимально близкое к давлению перегретого пара, момент вращения гидротурбины совпадает по направлению с моментом приводного двигателя насоса и характеристика частоты вращения от удельного потока при заданном давлении жидкого теплоносителя у гидротурбины находится выше, чем у насоса.

Сущность изобретения заключается в уменьшении механического напряжения стенки высокотемпературного пароперегревателя за счет повышения давления жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе до значения максимально близкому к давлению перегретого пара высокого давления и в использовании энергии гидротурбины для работы насоса за счет соединения вала насоса гидравлической муфтой с регулируемым передающим моментом вращения с валом гидротурбины.

Этот и другие аспекты настоящего изобретения станут более понятны из приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого графическим изображением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Изобретение иллюстрируется графическим изображением, на котором показана принципиальная схема высокотемпературной паросиловой установки, позволяющей получить указанный технический результат.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В нижеследующем описании, в целях пояснения многие конкретные детали (температура, давление, материалы и другое) изложены лишь для обеспечения полного понимания раскрытия. Однако настоящее раскрытие может быть реализовано на практике без этих конкретных деталей и не ограничивается описанным здесь вариантом.

Высокотемпературная паросиловая установка, содержащая:

- топочный котел 1,

- пароперегреватель 2, расположенный в топочном котле 1,

- паровую турбину 3,

- электрогенератор 4, соединенный с паровой турбиной 3,

- конденсатор 5,

- питательный насос 6,

циркуляционный контур жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров, включающий:

- высокотемпературный теплообменник 7, расположенный в топочном котле 1,

- высокотемпературный пароперегреватель 8, содержащий вход 9 и выход 10 пара, вход 11 и выход 12 жидкого теплоносителя, причем вход 9 соединен с выходом пароперегревателя 2, а выход 10 соединен с входом паровой турбины 3,

- насос 13, входом соединенный с выходом высокотемпературного теплообменника 7 топочного котла 1, выходом соединенный с входом 11 жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя 8,

- приводной двигатель 14, соединенный валом 15 с насосом 13,

- гидротурбину 16, входом соединенную с выходом 12 жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя 8, выходом соединенную с входом высокотемпературного теплообменника 7 топочного котла 1.

- гидравлическую муфту 17 с регулируемым передающим моментом вращения, соединенную валом 18 с насосом 13 и валом 19 с гидротурбиной 16.

Высокотемпературный пароперегреватель 8 может быть выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, где через межтрубное пространство прокачивается жидкий теплоноситель, внутри труб пар. Кожух рассчитан на высокое давление жидкого теплоносителя и может быть выполнен из стали, причем внутренняя поверхность кожуха теплоизолирована от жидкого теплоносителя.

В качестве жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров может быть использован расплав натрия или его сплав с калием 56% Na, 44% K, температура плавления 19°С, как наиболее освоенные жидкие теплоносители, например, на атомных электростанциях. Предпочтительнее использовать в качестве жидких теплоносителей расплавы солей из-за их больших теплоемкостей и пожарной безопасности, чем расплавы металлов.

В качестве труб для высокотемпературного теплообменника 7 котла 1 и высокотемпературного пароперегревателя 8 может быть использована труба из сплава ХН45Ю, например, для расчетного рабочего давления 0,5 МПа, внешний диаметр будет 24 мм, толщина стенки 6 мм, при допустимом напряжении предела длительной прочности металла 1 МПа, расчетном ресурсе 10⁵ ч, температуре стенки 1130°С.

В качестве насоса 13 может быть использован насос высокого давления для жидкого металла, выполненный на основе высокотемпературной композиционной керамики.

В качестве приводного двигателя 14 может быть использован электродвигатель переменного тока мощностью примерно такой же, как мощность электродвигателя питательного насоса высокотемпературной паросиловой установки.

В качестве гидротурбины 16 может быть использована турбина высокого давления для жидкого металла с лопатками, выполненными на основе хромоникелевых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей.

В качестве паровой турбины 3 может быть использована паровая турбина высокого давления с охлаждаемыми лопатками, выполненными из коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов на никелевой основе.

В качестве гидравлической муфты 17 может быть использована гидромуфта, регулируемая заполнением, применяемые для регулирования числа оборотов турбомашин, например для питательных насосов ТЭС.

Высокотемпературная паросиловая установка работает следующим образом. Жидкий теплоноситель низкого давления, проходя через высокотемпературный теплообменник 7, нагревается до высокой температуры, далее повышается давление жидкого теплоносителя насосом 13, приводимого в движение двигателем 14 через вал 15, до высокого давления максимально близкому к давлению перегретого пара и подается на вход 11 для жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя 8, где отдает тепло пару. За счет малой разницы давления жидкого теплоносителя и давления перегретого пара механическое напряжение в стенке высокотемпературного пароперегревателя 8 минимальна, причем давление жидкого теплоносителя приходится теперь уже на теплоизолированный кожух высокотемпературного пароперегревателя 8. В пароперегревателе 2 топочного котла 1 производится генерация и перегрев пара. Из пароперегревателя 2 пар поступает на вход 9 высокотемпературного пароперегревателя 8, перегревается до высокой температуры, поступает в выход 10 и паровую турбину 3, соединенную с электрогенератором 4, для преобразования в электрическую энергию. Далее пар конденсируется в конденсаторе 5 и вода питательным насосом 6 подается обратно в пароперегреватель 2. Жидкий теплоноситель, отдавший тепло пару, с выхода 12 поступает в гидротурбину 16, где его давление снижается до низкого значения и поступает обратно в высокотемпературный теплообменник 7.

Для регулирования давления жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе 8 и использования энергии гидротурбины 16 для работы насоса 13 используется гидравлическая муфта 17. Давление жидкого теплоносителя на входе в гидротурбину 16 находится в прямой зависимости от нагрузочного момента на ее валу 19. Для уменьшения давления жидкого теплоносителя, при уменьшении давления перегретого пара, в гидравлической муфте 17 уменьшают заполнение рабочим телом, уменьшая тем самым ее передающий момент и соответственно уменьшается нагрузочный момент на валу 19 гидротурбины 16, давление жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе 8 уменьшается. Для увеличения давления жидкого теплоносителя, при увеличении давления перегретого пара, в гидравлической муфте 17 увеличивают заполнение рабочим телом, увеличивая ее передающий момент и соответственно увеличивается нагрузочный момент на валу 19 гидротурбины 16, давление жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе 8 увеличивается.

Так как момент вращения гидротурбины 16 совпадает по направлению с моментом приводного двигателя 14 и характеристика частоты вращения от удельного потока (расхода) жидкого теплоносителя гидротурбины 16 находится выше, чем у насоса 13, момент вращения гидротурбины 16 будет передаваться через вал 19, гидравлическую муфту 17, вал 18 насосу 13.

Использование гидравлической муфты 17 позволяет дополнительно уменьшить мощность приводного двигателя 14 в несколько раз.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Изобретение может быть использовано на ТЭС.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства электроэнергии. Высокотемпературная паросиловая установка содержит топочный котел с пароперегревателем, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, циркуляционный контур жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров, включающий высокотемпературный теплообменник топочного котла, насос, высокотемпературный пароперегреватель, содержащий вход и выход пара, вход и выход жидкого теплоносителя, гидротурбину, соединенную с насосом через гидравлическую муфту с регулируемым передающим моментом вращения. Так, пар из пароперегревателя поступает на вход высокотемпературного пароперегревателя, перегревается до высокой температуры, поступает в выход высокотемпературного пароперегревателя и паровую турбину, соединенную с электрогенератором, для преобразования в электрическую энергию. При этом для регулирования давления жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе и использования энергии гидротурбины для работы насоса используется гидравлическая муфта. Изобретение позволяет повысить температуру перегретого пара высокого давления за счет повышения давления жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе до значения, максимально близкого к давлению перегретого пара, и использовать энергию гидротурбины для привода насоса, повысив эффективность теплосиловой установки в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высокотемпературная паросиловая установка, содержащая топочный котел, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, циркуляционный контур жидкого теплоносителя с низким давлением насыщенных паров, включающий высокотемпературный теплообменник топочного котла, насос, высокотемпературный пароперегреватель, содержащий вход и выход пара, вход и выход жидкого теплоносителя, отличающаяся тем, что содержит:

гидротурбину, входом соединенную с выходом жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя, выходом соединенную с входом высокотемпературного теплообменника топочного котла;

гидравлическую муфту с регулируемым передающим моментом вращения, соединяющую вал насоса и гидротурбины;

причем топочный котел содержит пароперегреватель, вход насоса соединен с выходом высокотемпературного теплообменника топочного котла, выход соединен с входом жидкого теплоносителя высокотемпературного пароперегревателя, вход пара высокотемпературного пароперегревателя соединен с пароперегревателем топочного котла, выход пара соединен с паровой турбиной.

2. Высокотемпературная паросиловая установка по п. 1, отличающаяся тем, что давление жидкого теплоносителя в высокотемпературном пароперегревателе, максимально близкое к давлению перегретого пара.

3. Высокотемпературная паросиловая установка по п. 1, отличающаяся тем, что момент вращения гидротурбины совпадает по направлению с моментом приводного двигателя насоса и характеристика частоты вращения от удельного потока жидкого теплоносителя гидротурбины находится выше, чем у насоса.