БИНАРНАЯ ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ПАРОПАРОВЫМ ЦИКЛОМ

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована для преобразования энергии в электрогенерирующих установках с паротурбинными и парогазотурбинными двигателями.
Известна энергетическая установка, состоящая из струйного аппарата с патрубком рабочей инжектируемой и сжимаемой сред, подключенных соответственно к трубопроводам первичной воды, пара и расширителя (сепаратора). / (См., например, описание изобретения по авторскому свидетельству СССР №1590567, кл. F 01 К 17/00, 1990 г.)
Особенность этой установки состоит в том, что для повышения экономичности в ней используется активная струя вскипающей воды для инжектирования пара низкого давления и сжатия смеси сред (влажного пара) в струйном аппарате перед входом в сепаратор.
Ее недостатком является то, что активная струя вскипающей воды используется только в незамкнутом контуре.
Известна бинарная паротурбинная установка с комбинированным паропаровым циклом, состоящая из высокотемпературного (первого) контура, который включает пароперегреватель, соединенный с первой турбиной с противодавлением отработанного водяного пара, выхлоп которой выведен на вход турбокомпрессора, присоединенного выходом к пароперегревателю, а также из низкотемпературного (второго) контура, который включает паропровод отбора части выхлопа первой турбины, подсоединенный ко второй турбине низкого давления, выхлоп которой соединен через конденсатор с питательным насосом, подключенным к входу турбокомпрессора, причем в первом контуре между турбокомпрессором и пароперегревателем установлен теплообменник регенерации тепла выхлопного пара первой турбины для подогрева сжатого в турбокомпрессоре пара перед пароперегревателем (см. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. - М.: Высш.шк., 1968, с.191-192, рис.5.7).
По представленному в упомянутом источнике комбинированному паропаровому циклу для среднего специалиста - теплотехника несложно воспроизвести схему установки, что и показано на фиг.1 чертежей данной заявки.
peг
0
Работа известной установки основана на реализации в первом контуре (последовательно соединенные пароперегреватель 1, первая турбина 2, теплообменник 3 регенерации тепла и турбокомпрессор 4) цикла газотурбинной установки на перегретом водяном паре с регенерацией тепла q между выхлопным паром первой турбины и сжатым в турбокомпрессоре паром, передачи отводимого из первого цикла тепла во второй цикл в виде отбора d (паропровод 5 отбора) части выхлопа первой турбины, реализации
0
во втором контуре (последовательно соединенные вторая турбина 6, конденсатор 7 и питательный насос 8) цикла конденсационной паротурбинной установки на насыщенном водяном паре и возвращении отбора пара d (трубопровод 9 подачи) в виде отработавшего конденсата в первый контур путем его подачи (впрыскивания) на вход турбокомпрессора.
В описанной и принятой в качестве прототипа установке и в той, которая заявляется имеются следующие сходные признаки: первый контур, включающий пароперегреватель, соединенный с первой турбиной, с противодавлением водяного пара, выхлоп которой выведен на вход компрессора, присоединенного выходом к пароперегревателю; второй контур, состоящий из паропровода отбора части выхлопа первой турбины, присоединенного ко второй турбине низкого давления, выхлоп которой соединен через конденсатор с питательным насосом, подключенным к компрессору.
k
1
1
k
k
1
Недостатками известной установки является низкий уровень внутреннего к.п.д. цикла первого контура из-за высокого значения относительной работы сжатия (l/q) пара в турбокомпрессоре, обусловленного, во-первых, предельной регенерацией тепла выхлопного пара и поэтому уменьшением подводимого в пароперегревателе тепла q и, во-вторых, повышенными необратимыми потерями в процессе сжатия влажного пара в турбокомпрессоре и поэтому увеличением работы l, а также высокий уровень удельных капитальных вложений из-за необходимости компенсировать рост относительной работы сжатия (l/q) путем значительного повышения температуры перегретого пара, что ведет к усложнению конструкции и повышению стоимости основного оборудования установки.
Известно, [1, стр.15, 181], что внутренний к.п.д цикла, определяющий эффективность теплоэнергетической установки
где термический к.п.д. цикла
- среднетермодинамические температуры подвода и отвода тепла,
- относительные внутренние к.п.д. турбины и турбокомпрессора.
t
1
2
k
1
1
Повышение регенерации тепла увеличивает термический к.п.д. цикла η за счет роста температуры ###U96T и снижения температуры ###U96T, но одновременно увеличивает и относительную работу сжатия (l/q) за счет уменьшения подводимого тепла q в пароперегревателе. При высокой степени регенерации тепла, характерной для известной установки, и значительном снижении относительного внутреннего к.п.д. турбокомпрессора  в процессе сжатия влажного пара (согласно опытным данным, повышение
i
oi
k
k
1
i
влажности водяного пара на 1% вблизи кривой конденсации снижает к.п.д.  примерно на 1%) преобладающей является вторая составляющая в приведенной зависимости для внутреннего к.п.д. η. Для реализации цикла известной установки необходимо повысить влажность сжимаемого пара за счет впрыскивания отработавшего конденсата из второго контура в турбокомпрессор до уровня 10-20%, что предопределяет существенное снижение к.п.д. турбокомпрессора η рост работы турбокомпрессора l и, следовательно, повышение относительной работы сжатия (l/q), а значит - снижение внутреннего к.п.д. η, цикла и рост уровня удельных капитальных вложений.
В основу изобретения положена задача - создать бинарную паротурбинную установку с комбинированным паропаровым циклом, обладающую повышенным внутренним к.п.д. и невысокими удельными капитальными затратами за счет технического результата, заключающегося в создании бинарной паротурбинной установке активной струи вскипающей воды для инжектирования пара низкого давления и сжатия смеси сред (влажного пара) в струйном аппарате перед входом в сепаратор.
Этот технический результат обеспечивается тем, что в бинарной паротурбинной установке с комбинированным паропаровым циклом, состоящей из первого контура, который включает пароперегреватель, соединенный с первой турбиной с противодавлением отработавшего водяного пара, выхлоп которой выведен на вход компрессора, присоединенного выходом к перегревателю, а также - из второго контура, который включает паропровод отбора части выхлопа первой турбины, подсоединенный ко второй турбине низкого давления, выхлоп которой соединен через конденсатор с питательным насосом, подключенным к компрессору, - согласно изобретению, упомянутый компрессор выполнен в виде струйного компрессора, содержащего в замкнутом по воде циркуляционном контуре сепаратор, насос, теплообменник регенерации тепла и струйный аппарат, выход которого соединен с сепаратором, активное сопло с выходом циркуляционного насоса, подключенного входом к сепаратору, а пассивное сопло выведено на вход струйного компрессора, причем теплообменник регенерации тепла установлен на паропроводе, соединяющем выхлоп первой турбины с входом струйного компрессора, и включен в циркуляционный контур струйного компрессора между выходом циркуляционного насоса и активным соплом струйного аппарата, а пароперегреватель оснащен нагревателем конденсата, установленным на трубопроводе подачи конденсата между питательным насосом и сепаратором струйного компрессора.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом имеется причинно-следственная связь.
k
1
Основной особенностью цикла газотурбинной установки на перегретом водяном паре, реализуемом в первом контуре известной бинарной паротурбинной установки, является высокое значение относительной работы сжатия (l/q) и поэтому чрезвычайная
чувствительность этого цикла к необратимым потерям в процессе сжатия влажного пара.
peг
Отличием предлагаемой установки является включение в ее принципиальную схему струйного компрессора, состоящего из сепаратора, насоса, теплообменника регенерации тепла, и струйного аппарата с одновременным оснащением пароперегревателя нагревателем конденсата, установленным на трубопроводе подачи конденсата между питательным насосом и сепаратором струйного компрессора. По этой причине снижение энергозатрат на сжатие за счет применения струйного компримирования, предусматривающего циркуляцию практически несжимаемой воды с малой работой подачи, и дополнительного подвода энергии в форме тепла регенерации q к струйному компрессору значительно уменьшают относительную работу сжатия, повышают внутренний к.п.д. цикла и эффективность всей бинарной паротурбинной установки даже в области умеренных параметров перегретого пара при невысоких капитальных вложениях.
peг
Однако, это может быть достигнуто только при определенном, описанном выше, конструктивном выполнении струйного компрессора, а именно, в виде циркуляционного контура, когда сжатие влажного пара осуществляется не в лопаточном аппарате, как в турбокомпрессоре известной установки, а активной струей вскипающей воды, и только при дополнительном подводе энергии в форме тепла регенерации q, используемой не для подогрева сжатого в турбокомпрессоре пара перед пароперегревателем, как в известной установке, а для подогрева воды циркуляционного контура перед активным соплом струйного компрессора, что предусмотрено отличительной частью формулы изобретения. Только при выполнении этих условий одновременно поставленная в изобретении задача может быть решена, и указанный выше технический результат будет достигнут.
Кроме того, дополнительный подвод энергии к струйному компрессору путем подогрева возвращаемого в первый контур конденсата за счет оснащения пароперегревателя нагревателем конденсата, предусмотренного отличительной частью формулы изобретения, обеспечивает дополнительное повышение эффективности работы струйного компрессора, а значит, способствует решению поставленной в изобретении задачи.
Заявляемая бинарная паротурбинная установка представлена на чертежах:
на фиг.1 представлена принципиальная схема установки, принятая в качестве прототипа;
на фиг.2 - принципиальная схема установки, выполненная согласно заявляемой полезной модели;
на фиг.3 проиллюстрирован комбинированный паропаровой цикл установки в T, S - координатах.
Установка включает пароперегреватель 1, соединенный паропроводом 2 подачи пара с входом первой турбины 3, выход которой с помощью паропровода 4 выхлопа первой турбины через теплообменник 5 регенерации тепла выведен на вход струйного компрессора 6 (на схеме струйный компрессор выделен штриховой линией) и соединен с пассивным соплом 7 струйного аппарата 8. Струйный компрессор 6 содержит в замкнутом по воде циркуляционном контуре струйный аппарат 8, выход которого соединен с сепаратором 9, а активное сопло 10 через теплообменник 5 регенерации тепла связано с выходом циркуляционного насоса 11, присоединенного входом к сепаратору 9, выход которого выведен к пароперегревателю 1. Паропровод 12 отбора части выхлопа первой турбины 3 соединяет паропровод 4 на выходе из теплообменника 5 регенерации тепла со входом второй турбины 13 низкого давления, выхлоп которой через конденсатор 14 присоединен ко входу питательного насоса 15. Нагреватель 16 конденсата, установленный в пароперегревателе 1, трубопроводом 17 подачи конденсата соединен выходом с сепаратором 9 струйного компрессора 6, а входом - с выходом питательного насоса 15. Установка работает следующим образом.
1
1
2
1
Н
1
peг
1
Перегретый на пароперегревателе 1 водяной пар с заданными рабочими параметрами (температура t, давление Р) поступает по паропроводу 2 в первую турбину 3 с противодавлением выхлопного пара P, из которой отработавший пар по паропроводу 4 подается в теплообменник 5 регенерации тепла для подогрева циркуляционной воды струйного компрессора 6. Основная часть отработавшего пара после теплообменника 5 регенерации тепла направляется на вход струйного компрессора 6 к пассивному соплу 7. Циркуляционный насос 11 откачивает из сепаратора 9 насыщенную при давлении P с температурой t(Р) воду и через теплообменник 5 регенерации тепла, где осуществляется ее нагрев теплотой q, подает в активное сопло 10 для инжектирования основной части отработавшего пара через пассивное сопло 7, сжатия смеси сред (влажного пара) в струйном аппарате 8 и подачи ее при давлении сжатия P в сепаратор 9, из которого отделяемый сухой пар направляется в пароперегреватель 1, а насыщенная вода откачивается циркуляционным насосом 11 в циркуляционный контур для подачи в активное сопло 10 через теплообменник 5 регенерации тепла. Таким образом, замыкается цикл первого контура установки.
0
2
Отбираемая часть d выхлопного пара первой турбины 3 в количестве, обеспечивающем постоянство расхода насыщенной воды в циркуляционном контуре струйного компрессора 6 при заданном режиме работы установки, по паропроводу 12 поступает во вторую турбину 13 низкого давления. Отработавший выхлопной пар второй турбины 13 направляется в конденсатор 14, где отводимая из комбинированного паропарового цикла теплота q передается в окружающую среду. Питательный насос 15 откачивает водяной конденсат и по трубопроводу 17 подает его через нагреватель 16 конденсата в сепаратор 9 струйного
1
H
1
компрессора 6 в количестве отбора do при давлении P и температуре t(P). Таким образом, замыкается цикл второго контура установки.
Работу установки можно проиллюстрировать комбинированным паропаровым циклом в T,S - координатах (фиг.3).
1
peг
0
1
В первом контуре реализуется цикл 1-2-а-3-к-4-1, составленный из процессов: подвод тепла q в пароперегревателе (4-1), расширение пара в первой турбине (1-2), отвод тепла регенерации q (2-a) в условном процессе сжатия влажного пара (к-4), процесс смещения в струйном компрессоре (а-3-к). Отводимая из первого цикла теплота предается во второй цикл в виде отбираемой части do выхлопного пара первой турбины и поэтому второй цикл а-в-с-е-а представлен в соответственно уменьшенном масштабе: расширение отбираемой части пара во второй турбине (а-в), конденсация отработавшего пара (в-с), подвод теплоты dq в нагревателе конденсата (с-е), условный процесс парообразования и смешения в струйном компрессоре (е-а).
0
2
peг
k
1
i
Параметры комбинированного паропарового цикла установки, включая величины отбираемой части d выхлопного пара первой турбины, ее противодавление Р, степень регенерации тепла q в струйном компрессоре, а также характеристики струйного компрессора, выбирают с учетом достижения минимальной относительной работы сжатия (l/q) пара, соответствующей максимальному значению внутреннего к.п.д. η цикла.
1
0
В таблице приведен пример ожидаемых расчетных показателей предлагаемой установки и сопоставление с показателями прототипа при выполнении условия постоянства подводимой теплоты q в первом цикле и отбираемой части d выхлопного пара первой турбины.
Наименование параметров
Показатели предлагаемой установки
Показатели прототипа
Параметры рабочего пара:
- температура t<sub>1</sub>, °C
400
700
- давление P<sub>1</sub>, бар
10
10
Подведенная в первом цикле теплота q<sub>1</sub>. кДж/кг
485
485
Противодавление первой турбины Р<sub>2</sub>, бар
3
3
Давление отработавшего пара в конденсаторе Р<sub>2</sub>, бар
0,04
0,04
Относительный внутренний к.п.д. турбины η<sub>oi</sub> <sup>T</sup>:
- первого контура
0,85
0,85
- второго контура
0,75
0,75
Относительный внутренний к.п.д. турбокомпрессора влажного пара η<sub>oi</sub> <sup>K</sup>:
-
0,74
Эксергетический к.п.д. струйного компрессора η<sub>e</sub> <sup>K</sup>
0,56
-
Отбираемая часть выхлопного пара первой
турбины d<sub>0</sub>
0,13
0,13
Теплота регенерации q<sub>peг</sub>, кДж/кг
143
657
Минимальный температурный напор в регенераторе Θ<sub>min</sub>
10
17
Относительная работа сжатия первого контура (l<sub>k</sub>/q<sub>1</sub>)
0,14
0,58
Внутренний к.п.д. комбинированного паропарового цикла η<sub>i</sub>
0,48
0,37
1
k
1
1
peг
Из таблицы видно, что даже при значительно более низкой температуре подвода тепла q в первом цикле в предлагаемой установке за счет снижения относительной работы сжатия (l/q) пара достигается существенное повышение внутреннего к.п.д. η, комбинированного паропарового цикла. Предлагаемая установка имеет явные преимущества по габаритным показателям и стоимости теплообменника регенерации тепла, что следует из сопоставления величины q сравниваемых вариантов. За счет повышения эффективности, упрощения конструкции и уменьшения стоимости оборудования в предлагаемой установке достигается снижение удельных капитальных вложений.