ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2025 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в энергоблоках с паротурбинными установками.

Из уровня техники известны различные конструкции паротурбинных установок, включающих турбину, работающую от энергии перегретого пара, например, из патента RU 156582 U1, 10.11.2015 или патента RU 2631960 С1, 29.09.2017.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной установки является патент RU 2169270 С2, 20.06.2001, раскрывающий паротурбинную установку с множеством расположенных на общем валу турбины ступеней давления с расположенным в аксиальном направлении вала турбины на стороне оттока конденсатором, где подогревателе питательной воды с множеством теплообменных модулей, обогреваемых паром отбора из одной или каждой ступени давления, которые расположены в общем корпусе и включены на стороне питательной воды последовательно, а на стороне пара отбора параллельно, причем соответственно два соседних теплообменных модуля разделены друг от друга на стороне пара отбора перегородкой, а на стороне питательной воды соединены друг с другом через сборник, и при этом общая для теплообменных модулей сборная шина для конденсированного пара отбора расположена в корпусе.

Данное устройство имеет существенные недостатки, а именно низкое КПД, ввиду слабого охлаждения рабочей среды после турбины, а соответственно и слабого нагрева и малого расширения среды не позволяющее реализовать расширение среды в парогенераторе, сложный процесс взаимодействия теплообменников парогенератора и конденсатора, что усложняет конструкцию и снижает ее эффективность.

Целью заявленного изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога.

В основу предложенного изобретения поставлена задача доработки конструкции системы паротурбинной установки, устраняющая известные недостатки аналога.

Техническим результатом является повышение эффективности и КПД паротурбинной установки при одновременном упрощении ее конструкции.

Данный результат достигается тем, что паротурбинная установка включает рабочую емкость для жидкости с входом и выходом, содержащая вакуумный насос и датчик вакуума, где вакуумный насос выполнен с возможностью поддержания заданного разряжения с учетом показания датчика вакуума,

выход рабочей емкости связан по контуру трубопровода с входом теплообменника нагрева парогенератора, где в контуре трубопровода между рабочей емкостью и парогенератором размещен циркуляционный насос, выполненный с возможностью перекачивания жидкости по контуру трубопровода,

парогенератор, содержащий камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от источника нагрева камеры нагрева к жидкости, проходящей через теплообменник, для ее преобразования в среду в виде пара,

выход теплообменника парогенератора по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием пара, поступающего по контуру трубопровода от парогенератора,

аварийный контур, содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом и выходом после турбоколеса,

выход турбоколеса по контуру трубопровода связан с входом градирни, содержащей теплообменник охлаждения, на котором установлены вентиляторы, где градирня выполнена с возможностью охлаждения пара с преобразованием его в жидкость,

выход градирни по контуру трубопровода связан с входом в рабочую емкость, для обеспечения слива в нее жидкости.

В контуре трубопровода перед градирней установлена группа безопасности с клапаном сброса давления.

Парогенератор включает в зоне камеры нагрева канальный вентилятор.

Рабочая емкость оснащена поплавковым датчиком.

Рабочая емкость включает второй вход, который соединен контуром трубопровода, включающим клапан, с емкостью восполнения потерь жидкости, где клапан связан с поплавковым датчиком.

В контуре трубопровода между рабочей емкостью и парогенератором размещен кран, регулирующий поступление жидкости в парогенератор.

Далее, принцип работы установки будет описан с учетом прилагаемой схемы, где на фигуре изображена предпочтительная схема предложенной паротурбинной установки.

Паротурбинная установка включает рабочую емкость 1 для жидкости с входом и выходом. Рабочая емкость 1 предпочтительно оснащена поплавковым датчиком 15. Рабочая емкость 1, как и вся установка в целом, выполнена герметичной. Рабочая емкость 1 выполнена из стойкого к давлению материала, например из нержавеющей стали. Форма рабочей емкости 1 может быть различной, но, как правило, применяется в виде куба/прямоугольника/шара. Рабочая емкость 1 содержит вакуумный насос 2 и датчик вакуума 3, расположенный, предпочтительно, на верхней стороне рабочей емкости 1, где отсутствует прямой контакт датчика вакуума 3 с жидкостью. Вакуумный насос 2 выполнен с возможностью поддержания заданного (установленного) разряжения с учетом показания датчика вакуума 3. Принцип взаимодействия вакуумного насоса 2 с датчиком вакуума 3 может быть различным, например, по WI-FI связи, что не является предметом защиты, как таковым. Вакуумный насос 2, в случае необходимости, откачивает попавший воздух в атмосферу (наружу). Вход и выход рабочей емкости 1, а также других узлов установки представляет собой узел соединения с контуром трубопровода и может быть выполнен различным образом, например, в виде отверстия с входным и выходным штуцером, муфтовое соединение, кламповое и иные средства соединения узлов с контуром трубопровода в единую замкнутую цепь. Жидкость в рабочей емкости 1 имеет минимальную температуру.

Выход рабочей емкости 1 связан по контуру трубопровода с входом теплообменника нагрева 8 парогенератора 6.

Устройство предпочтительно включает второй вход рабочей емкости 1. Второй вход соединен контуром трубопровода с емкостью восполнения потерь 16 жидкости. Контур трубопровода на данном участке включает клапан 17, связанный (например, по WI-FI) с поплавковым датчиком 15. Поплавковый датчик 15 размещен внутри рабочей емкости 1. По команде от поплавкового датчика 15 открывается клапан 17, для пополнения рабочей емкости 1 жидкостью из емкости восполнения потерь 16.

В контуре трубопровода между рабочей емкостью 1 и парогенератором 6 размещен циркуляционный насос 5 и, предпочтительно, кран 18, регулирующий поступление жидкости в парогенератор 6. Циркуляционный насос 5 выполнен с возможностью перекачивания жидкости по контуру трубопровода. Конструкция циркуляционного насоса 5 должна обеспечивать перекачку жидкости с достаточной скоростью, а его мощность должна обеспечивать подъем жидкости на нужную высоту.

В качестве жидкости, циркулирующей в установке, используется специально подготовленная или дистиллированная вода.

Парогенератор 6 содержит камеру нагрева 7, а также теплообменник 8. Теплообменник 8 выполнен с возможностью осуществлять передачу тепла от источника нагрева камеры нагрева 7 к жидкости, проходящей через теплообменник 8 для ее нагрева и преобразования в среду в виде пара. На выходе из парогенератора 6 пар имеет наиболее высокую температуру.

В качестве камеры нагрева 7 могут применяться различные устройства, например, устройства на базе газового или твердотопливного котлов, дизельные, пеллетные камеры сгорания и прочие устройства с камерами сгорания какого-либо топлива. Камера нагрева 7 парогенератора 6 должна обеспечивать повышение температуры жидкости, ее нагрев/перегрев до температуры преобразования в пар.

Теплообменник 8, как вариант, выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами. Теплообменник 8 может иметь и иную конструкцию, например, как изображено на фигуре, где буферный цилиндр получает тепло от источника тепла камеры нагрева 7, а вокруг буферного цилиндра витками накручен трубчатый замкнутый контур, по которому циркулирует жидкость, которая нагреваясь, преобразуется в пар с дальнейшей его передачей по контуру трубопровода.

Парогенератор 6, предпочтительно, включает в зоне камеры нагрева 7 канальный вентилятор (на фигуре не обозначен), содержащий воздушный канал с приточным вентилятором, для поддува воздуха в камеру нагрева 7 для лучшего горения источника тепла и/или лучшей конвекции прогретого воздуха в парогенераторе 6, для дополнительного повышения эффективности и КПД устройства.

Далее, выход теплообменника 8 парогенератора 6 по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса 9. Турбоколесо 9 частично схоже по конструкции с турбиной, однако обеспечивает прием большего объема пара и большую эффективность. Турбоколесо 9 содержит корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями по внешнему контуру.

Колесо с лопастями выполнено с возможностью его осевого вращения под воздействием давления от пара, поступающего по контуру трубопровода от парогенератора 6. Турбоколесо 9 передает вращение на выходной вал или иной узел съема энергии, например, на генератор (на фигуре не показан). Лопасти колеса под воздействием энергии пара раскручивают колесо, обеспечивая повышение эффективности и КПД паротурбинной установки, при одновременном упрощении ее конструкции. Необходимо также отметить, что подробная конструкция турбоколеса 9 является предметом отдельной заявки, и все его конструктивные особенности будут раскрыты в ней.

Установка также включает аварийный контур 10, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура 10 перед турбоколесом 9 и выходом после турбоколеса 9. Аварийный контур 10 содержит на своем участке байпасный кран 11. Байпасный кран 11 это клапан перепускного типа, который позволяет перенаправить излишнее давление пара по данному альтернативному аварийному контуру 10, во избежание подачи чрезмерно высокого давления на турбоколесо 9 для стабилизации работы установки и повышения ее эффективности и КПД. Конструкция байпасного крана 11 может быть различной, однако должна обеспечивать защиту установки в целом и турбоколеса 9, в особенности от излишнего давления и его скачков.

В контуре трубопровода, после выхода аварийного контура 10, желательно (не обязательно) перед градирней 12 установить клапан сброса давления 4. Клапан сброса давления 4 сбрасывает давление пара, если на градирню 12 воздействует чрезмерно высокое давление, что обычно случается, когда излишний поток пара перенаправляется по аварийному контуру 10. При отсутствии же клапана сброса давления 4 поток пара не успевает охладиться в градирне 12 до максимального расчетного значения, что несколько снижает эффективность и КПД установки.

Далее, выход турбоколеса 9 по контуру трубопровода связан с входом градирни 12. Градирня 12 содержит теплообменник охлаждения 13, на котором установлены вентиляторы 14. Градирня 12 выполнена с возможностью охлаждения пара и преобразования его в жидкость. Теплообменник охлаждения 13 в базовом виде выполняется как радиатор охлаждения, на который установлены вентиляторы 14. Через теплообменник охлаждения 13 проходит контур с паром для его охлаждения и конденсации (преобразования) в жидкость. Конструкция теплообменника охлаждения 13 может иметь и другую конструкцию и принцип действия для снятия тепла, например, дополнительно теплообменник охлаждения 13 может включать контур охлаждения с водой или каким-либо веществом для охлаждения среды.

Выход градирни 12 по контуру трубопровода связан с входом в рабочую емкость 1, для обеспечения слива в нее жидкости с остатками пара (воздух) и корректировки разряжения в рабочей емкости 1 посредством вакуумного насоса 2, срабатывающего с учетом параметров, снятых от датчика вакуума 3.

Принцип работы установки.

Паротурбинная установка запускается в работу путем запуска циркуляционного насоса 5 и камеры нагрева 7 парогенератора 6.

Из рабочей емкости 1 жидкость (с минимальной температурой) начинает перекачиваться по контуру трубопровода в теплообменник 8 парогенератора 6.

Камера нагрева 7 обеспечивает нагрев теплообменника 8, и жидкость перегревается и преобразуется в пар с максимальной температурой, создавая тем самым избыточное рабочее давление, для повышения эффективности и КПД паротурбинной установки.

Пар по контуру трубопровода поступает в турбоколесо 9, где избыточное рабочее давление пара воздействует на колесо с лопастями, которые его раскручивают, тем самым передавая энергию вращения на узел съема энергии (как ранее отмечалось, может иметь различную конструкцию). Воздействие избыточным рабочим давлением пара на турбоколесо 9 и его конструкция обеспечивают повышение эффективности и КПД паротурбинной установки, при одновременном упрощении ее конструкции. При этом на данном этапе пар теряет часть своей температуры и давления.

Пар по контуру трубопровода поступает в градирню 12. Теплообменник охлаждения 13, обеспечивает существенное охлаждение пара с его переходом в жидкую фазу (конденсация) и снижением давления среды. На данном этапе температура среды и давление падают до минимальных параметров. Преобразование среды в жидкую фазу и ее существенное охлаждение способствуют дальнейшему созданию необходимого избыточного рабочего давления (при нагреве в парогенераторе 6), для повышения эффективности и КПД паротурбинной установки, при одновременном упрощении ее конструкции.

Жидкость (с частичным остаточным паром) по контуру трубопровода попадает в рабочую емкость 1. На данной стадии разряжение в рабочей емкости 1 корректируется до необходимых параметров посредством стравливания воздуха вакуумным насосом 2 по команде от датчика вакуума 3, что стабилизирует процесс и обеспечивает повышение эффективности и КПД паротурбинной установки, при одновременном упрощении ее конструкции.

Цикл повторяется.

Пример 1

Паротурбинная установка включает

- рабочую емкость 1 (куб из нержавеющей стали) для жидкости (дистилированная вода) имеет вход и выход,

- рабочая емкость 1 содержит вакуумный насос 2 и датчик вакуума 3 (совмещенные в одном корпусе),

в контуре трубопровода между рабочей емкостью 1 и парогенератором 6 размещен циркуляционный насос 5,

- выход рабочей емкости 1 связан по контуру трубопровода с входом теплообменника 8 парогенератора 6,

- парогенератор 6 содержит камеру нагрева 7 в виде пеллетной камеры, а также теплообменник 8 в виде трубчатого змеевика,

- выход теплообменника 8 парогенератора 6 по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса 9,

- турбоколесо 9 включает корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями по его верхнему ободу,

- колесо с лопастями связано с выходным валом, передающим вращение на генератор,

- аварийный контур 10 проходит с входом перед турбоколесом 9 и выходом после турбоколеса 9,

- аварийный контур 10 содержит байпасный кран 11,

- выход турбоколеса 9 по контуру трубопровода связан с входом градирни 12,

- градирня 12 содержит теплообменник охлаждения 13, выполненный в виде полой трубки-змеевика, пронизанной медными пластинами отвода тепла, где теплообменник охлаждения связан с четырьмя вентиляторами 14,

- выход градирни 12 по контуру трубопровода связан с входом в рабочую емкость 1.

Предложенное решение обеспечивает повышение эффективности и КПД паротурбинной установки, при одновременном упрощении ее конструкции.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в энергоблоках с паротурбинными установками. Техническим результатом является повышение эффективности и КПД паротурбинной установки при одновременном упрощении ее конструкции. Данный результат достигается тем, что паротурбинная установка включает рабочую емкость для жидкости с входом и выходом, содержащую вакуумный насос и датчик вакуума, где вакуумный насос выполнен с возможностью поддержания заданного разрежения с учетом показания датчика вакуума. Выход рабочей емкости связан по контуру трубопровода с входом теплообменника нагрева парогенератора, где в контуре трубопровода между рабочей емкостью и парогенератором размещен циркуляционный насос, выполненный с возможностью перекачивания жидкости по контуру трубопровода. Парогенератор содержит камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от камеры нагрева к жидкости, проходящей через теплообменник, для ее преобразования в пар. Выход теплообменника парогенератора по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием пара, поступающего по контуру трубопровода от парогенератора. Аварийный контур содержит байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом и выходом после турбоколеса. Выход турбоколеса по контуру трубопровода связан с входом градирни, содержащей теплообменник охлаждения, на котором установлены вентиляторы, где градирня выполнена с возможностью охлаждения пара с преобразованием его в жидкость. Выход градирни по контуру трубопровода связан с входом в рабочую емкость для обеспечения слива в нее жидкости. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Паротурбинная установка, характеризующаяся тем, что включает рабочую емкость для жидкости с входом и выходом, содержащую вакуумный насос и датчик вакуума, где вакуумный насос выполнен с возможностью поддержания заданного разрежения с учетом показания датчика вакуума,

выход рабочей емкости связан по контуру трубопровода с входом теплообменника нагрева парогенератора, где в контуре трубопровода между рабочей емкостью и парогенератором размещен циркуляционный насос, выполненный с возможностью перекачивания жидкости по контуру трубопровода,

парогенератор, содержащий камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от источника нагрева камеры нагрева к жидкости, проходящей через теплообменник, для ее преобразования в среду в виде пара,

выход теплообменника парогенератора по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием пара, поступающего по контуру трубопровода от парогенератора,

аварийный контур, содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом и выходом после турбоколеса,

выход турбоколеса по контуру трубопровода связан с входом градирни, содержащей теплообменник охлаждения, на котором установлены вентиляторы, где градирня выполнена с возможностью охлаждения пара с преобразованием его в жидкость,

выход градирни по контуру трубопровода связан с входом в рабочую емкость для обеспечения слива в нее жидкости.

2. Паротурбинная установка по п. 1, характеризующаяся тем, что в контуре трубопровода перед градирней установлена группа безопасности с клапаном сброса давления.

3. Паротурбинная установка по п. 1, характеризующаяся тем, что парогенератор включает в зоне камеры нагрева канальный вентилятор.

4. Паротурбинная установка по п. 1, характеризующаяся тем, что рабочая емкость оснащена поплавковым датчиком.

5. Паротурбинная установка по п. 1, характеризующаяся тем, что рабочая емкость включает второй вход, который соединен контуром трубопровода, включающим клапан, с емкостью восполнения потерь жидкости, где клапан связан с поплавковым датчиком.

6. Паротурбинная установка по п. 1, характеризующаяся тем, что в контуре трубопровода между рабочей емкостью и парогенератором размещен кран, регулирующий поступление жидкости в парогенератор.