УСТАНОВКА С ПАРОВЫМИ ТУРБИННЫМИ МОДУЛЯМИ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
PLANT COMPOSED OF OPTIMISED-EFFICIENCY STEAM TURBINE MODULES

Настоящее изобретение относится к области ядерных установок, включающих в себя паровые турбинные модули. Установки данного типа обычно состоят из нескольких турбинных модулей, в том числе модуля высокого давления, одного или более модулей низкого давления и модуля среднего давления. Каждый модуль может выполняться однопоточным или двухпоточным. Установка предназначена для генерирования электроэнергии с помощью генератора переменного тока, приводимого турбинными модулями. Данная установка может работать на органическом топливе или на ядерной энергии.
Установка известного типа включает в себя вращающийся вал турбины, соединяющий роторы различных модулей. Каждый ротор расположен в корпусе. Между каждым из корпусов и валом турбины установлены уплотнительные устройства. В уплотнительных устройствах происходит утечка пара. В известном уровне техники утечки, происходящие через уплотнительные устройства, собираются и отводятся в систему сбора утечек (см., например, ЕР2365189 А2, JP 2010 209858 A, JP 2002 129907 А).
Существенным недостатком устройств данного типа является проникновение значительных объемов воздуха в паровой цикл через модули низкого давления, поскольку давление в них ниже атмосферного. Проникновение воздуха приводит к изменению термодинамических характеристик пара и к соответствующему снижению эффективности. Кроме того, поскольку пар, работающий в модулях низкого давления, близок к насыщенному, такое проникновение воздуха может также привести к образованию капель воды, которые могут повредить конденсатор, расположенный на выходе из модуля низкого давления. Согласно известному уровню техники, одно из технических решений данной проблемы заключается в создании горячего пара, подаваемого в модули низкого давления; данный горячий пар создается в парогенераторе. Это решение действительно ограничивает проникновение воздуха, но обладает недостатком, заключающимся в ограничении работы горячего пара в потоке пара.
Цель настоящего изобретения заключается в устранении некоторых или всех указанных недостатков и в повышении эффективности установки посредством оптимизации парового цикла.
Согласно первой характерной особенности изобретения, установка включает в себя паровой турбинный модуль высокого давления, паровой турбинный модуль среднего давления и, по меньшей, один паровой турбинный модуль низкого давления, уплотнительные устройства, расположенные между вращающимся валом турбины и соответствующими корпусами различных паровых турбинных модулей; каждый из модулей включает в себя основную камеру, в которой размещена турбина; кроме того, установка содержит:
- первую сборную камеру, расположенную в корпусе модуля высокого давления, предназначенную для сбора утечек пара, выходящих из указанного модуля высокого давления через его уплотнительное устройство при давлениях выше атмосферного, и
- инжекционную камеру, расположенную в корпусе модуля низкого давления и соединенную первым контуром с первой сборной камерой таким образом, что пар передается из первой сборной камеры в инжекционную камеру, а затем в основную камеру модуля низкого давления через его уплотнительное устройство при давлении выше атмосферного. Эти особенности позволяют минимизировать или даже устранить любое прохождение горячего пара в уплотнительное устройство модуля низкого давления, чем достигается значительное повышение эффективности установки. Согласно другой характерной особенности изобретения, установка включает в себя вторую сборную камеру, расположенную в корпусе модуля среднего давления, таким образом, что утечки пара, выходящие из модуля среднего давления через его уплотнительное устройство, собираются и передаются по первому контуру к инжекционной камере. Это обеспечивает дополнительную подачу пара в уплотнительное устройство модуля низкого давления с целью дальнейшего повышения эффективности установки за счет уменьшения требуемого количества горячего пара.
Согласно характерной особенности изобретения, установка включает в себя третью сборную камеру, расположенную между основной камерой модуля высокого давления и корпусом первой сборной камеры, таким образом, что утечки пара из модуля высокого давления через его уплотнительное устройство собираются и направляются по трубопроводу в основную камеру модуля среднего давления или на вход основной камеры модуля низкого давления. Это обеспечивает возможность дальнейшей оптимизации парового цикла путем использования энергии пара, полученного из утечек модуля высокого давления, в рабочем цикле модуля среднего давления или модуля низкого давления.
Согласно характерной особенности изобретения, уровень давления в третьей сборной камере поддерживается между давлением в корпусе модуля высокого давления и давлением в первой сборной камере. Такой механизм обеспечивает оптимизацию восстановления паровых утечек в уплотнительном устройстве модуля высокого давления.
Согласно характерной особенности изобретения, каждое уплотнительное устройство различных паровых турбинных модулей имеет четвертую сборную камеру, расположенную в корпусе соответствующего модуля, давление в которой ниже атмосферного, чтобы осуществлять сбор не только утечки пара, выходящей из данного модуля через его уплотнительное устройство, но и любые количества воздуха, поступающие извне данного корпуса. Вследствие данной характерной особенности, достигается эффективное предотвращение как попадания воздуха в различные модули, так и утечки пара наружу. В данном случае, термин "внутри" применительно к модулю означает пространство внутри корпуса, а термин "снаружи" служит для обозначения внешнего пространства, находящегося за пределами корпуса данного модуля.
Согласно характерной особенности изобретения, каждая четвертая сборная камера соединена трубопроводом со вторым контуром с давлением ниже атмосферного. Вследствие данной характерной особенности, воздух и пар, собираемые в четвертых камерах, могут эффективно отсасываться и удаляться.
Согласно характерной особенности изобретения, в первом контуре имеется средство регулирования давления, поддерживающее давление в первом контуре на уровне выше атмосферного. Вследствие данной характерной особенности, обеспечивается передача пара из первой и/или второй камер в инжекционную камеру.
Другие признаки и преимущества данного изобретения станут очевидными после ознакомления с приведенным ниже описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг.1 - схема установки в соответствии с настоящим изобретением,
- Фиг.2 - возможный вариант установки, показанной на Фиг.1,
- Фиг.3 - осевое сечение уплотнительного устройства модуля высокого давления, показанного на Фиг.2,
- Фиг.4 - осевое сечение уплотнительного устройства модуля среднего давления, показанного на Фиг.1 и 2.
На Фиг.1 показана схема установки в соответствии с настоящим изобретением, с контурами циркуляции пара. Данная установка включает в себя паровой турбинный модуль высокого давления 1, паровой турбинный модуль среднего давления 2 и один или несколько паровых турбинных модулей низкого давления 3. На турбину высокого давления подается горячий пар, т.е. пар от парогенератора 40, например, от ядерного парогенератора. Пар, выходящий из модуля высокого давления 1, по трубопроводу 41 через пароосушитель/пароперегреватель 42 поступает на вход модуля среднего давления 2. Пар, выходящий из модуля среднего давления 2, по трубопроводу 43 поступает на вход модуля низкого давления 3. Выход модуля низкого давления 3 соединен с пароконденсатором 6.
Роторы различных модулей 1, 2, 3 соединены и образуют вращающийся вал 5 турбины. Каждый ротор расположен в корпусе 10, 20, 30 соответствующих модулей 1, 2, 3, точнее, в соответствующих основных камерах 1', 2', 3' указанных модулей 1, 2, 3, в которых работает турбина. Уплотнительные устройства 100, 200, 300а, 300b расположены между валом 5 турбины и корпусами 10, 20, 30 различных модулей.
Уплотнительное устройство 100 модуля высокого давления 1 включает в себя три уплотнения, а именно первое уплотнение 11, расположенное ближе всех к модулю 1, третье уплотнение 13, расположенное дальше всех от модуля 1, и второе уплотнение 12 между указанными первым уплотнением 11 и третьим уплотнением 13. На первом уплотнении 11 возникает утечка F11 пара из основной камеры 1' модуля высокого давления 1 к первой сборной камере С1, расположенной в корпусе 10 модуля высокого давления 1. Первая сборная камера С1 соединена трубопроводом 15 с первым контуром 61.
Четвертая сборная камера С4 находится в корпусе 10 модуля высокого давления 1 между вторым и третьим уплотнениями 12, 13 и служит для сбора как утечек F12 со второго уплотнения 12, так и окружающего воздуха F13, всасываемого на третьем уплотнении 13. С этой целью, давление в четвертой сборной камере поддерживается немного ниже атмосферного за счет соединения данной камеры С4 трубопроводом 14 со вторым контуром 60, называемым также конденсатным контуром: давление поддерживается на уровне PC около 0,95 бар (0,095 МПа) (С4). Снижение давления достигается с помощью конденсатора 6, к которому подсоединен второй контур 60. Все три остальных уплотнительных устройства снабжены системами снижения давления данного типа с использованием четвертой сборной камеры С24, С4а, C4b.
Следует отметить, что указанные в описании значения приводятся только в качестве примера и могут иметь процентную погрешность, близкую к единице; иными словами, погрешность данных значений может достигать 1%.
В данном случае, модуль низкого давления 3 является двухпоточным. Он снабжен уплотнительными устройствами 300а, 300b, установленными симметрично с обеих сторон. Каждое уплотнительное устройство 300а, 300b включает в себя три уплотнения, а именно первое уплотнение 31а, 31b в модуле 3, третье уплотнение 33а, 33b в модуле 3 и второе уплотнение 32а, 32b между первым и вторым уплотнениями. Первое уплотнение 31а, 31b позволяет производить нагнетание пара F31 в основную камеру 3' корпуса 30 из инжекционной камеры Са, Cb, расположенной в корпусе 30 модуля низкого давления 3.
Четвертая сборная камера С4а, C4b находится в корпусе 30 модуля высокого давления 3 между вторым и третьим уплотнениями 32а, 33а, 32b, 33b и служит для сбора как утечек F32a, F32b со второго уплотнения 32а, 32b, так и окружающего воздуха F13a, F13b, всасываемого на третьем уплотнении 33а, 33b. Давление в четвертой камере С4а, C4b снижается с помощью каналов 34а, 34b, соединяющих эту камеру со вторым контуром 60 точно так же, как это делается для четвертой камеры С4 модуля высокого давления 1.
Инжекционная камера Са, Cb каналом 35а, 35b соединена с первым контуром 61 и с первой сборной камерой С1 (посредством канала 15) таким образом, что пар передается из первой сборной камеры С1 в инжекционную камеру Са, Cb, и затем в основную камеру 3' модуля низкого давления 3 через его уплотнительное устройство 300а, 300b. Говоря точнее, пар, вводимый в инжекционную камеру Са, Cb, имеет более высокое давление, чем давление в основной камере 3' модуля низкого давления 3, и утечки F31a, F31b через уплотнение 31а, 3ab позволяют данному пару попасть в корпус 30. С этой целью, в первом контуре 61 поддерживают давление PR, равное приблизительно 1,15 бар (0,115 МПа), немного выше атмосферного давления, в то время как внутренняя полость корпуса 30 соединена с конденсатором 6 и, следовательно, давление в ней немного ниже атмосферного. Для обеспечения давления в первом контуре 61 можно отбирать горячий пар из парогенаратора 4 с помощью редуктора 44 и канала 45. Первый контур 61 называют также регулируемым контуром.
Пар утечек F11 и из уплотнительного устройства 100 модуля высокого давления 1 восстанавливается и вводится в модуль низкого давления 3 путем подачи в уплотнительное устройство 300а, 300b в месте утечки F31a, F31b. Это дает возможность минимизировать или даже устранить любое прохождение горячего пара через редуктор 44, чем достигается значительное повышение эффективности установки. Таким образом, горячий пар сохраняется только для введения в модуль высокого давления 1, где он производит максимальную работу по генерированию электроэнергии.
Уплотнительное устройство 200 модуля среднего давления 2 включает в себя три уплотнения, а именно первое уплотнение 21, третье уплотнение 23 и второе уплотнение 22 между первым уплотнением 21 и третьим уплотнением 23. На первом уплотнении 21 возникает утечка F21 пара из основной камеры 2' модуля высокого давления 2 ко второй сборной камере С2, расположенной в корпусе 20 модуля высокого давления 2. Первая сборная камера С2 соединена каналом 25 с первым контуром 61. В ней поддерживается давление PR около 1,15 бар (0,115 МПа), немного выше атмосферного давления. Таким образом, утечки пара F21 из модуля среднего давления 2, в частности, из его основной камеры 2' через уплотнение 21, по каналу 25, первому контуру 61 и каналу 35а, 35b направляются в инжекционную камеру Са, Cb, а затем в основную камеру 3' модуля низкого давления 3 через уплотнение 31 а, 31b. Утечки пара F21 на уплотнительном устройстве 200 модуля среднего давления 2, таким образом, восстанавливаются и направляются в модуль низкого давления 3 путем подачи в уплотнительное устройство 300а, 300b и, в частности, в основную камеру 3', в которой работает турбина. Это дает возможность пополнить подачу пара, обеспечиваемую утечками F11 из модуля высокого давления 1, и, таким образом, свести к минимуму или даже устранить любое прохождение пара через редуктор 44, и дополнительно повысить эффективность установки.
Четвертая сборная камера С24 находится в корпусе 20 модуля среднего давления 2 между вторым и третьим уплотнениями и служит для сбора как утечек F22 со второго уплотнения 22, так и окружающего воздуха F23, всасываемого на третьем уплотнении 23. Давление в четвертой камере С24 снижается с помощью канала 24, соединяющего эту камеру со вторым контуром 60 точно так же, как это делается для четвертой камеры С4 модуля высокого давления.
На Фиг.2 показана установка, представленная на Фиг.1, с добавлением варианта, описанного ниже. Уплотнительное устройство 101 модуля высокого давления 1 включает в себя четвертое уплотнение 16, размещенное между основной камерой 1' модуля высокого давления 1 и первым уплотнением 11. На четвертом уплотнении 16 возникает утечка F16 пара из основной камеры 1' модуля высокого давления 1 к третьей сборной камере C3, расположенной в корпусе 10 модуля высокого давления 1. Третья сборная камера C3 соединена каналом 55 с входом свежего пара 56 модуля среднего давления 2 или с каналом 43, подводящим пар к модулю низкого давления 3. Таким образом, третья сборная камера C3 расположена между внутренней полостью корпуса 10 модуля высокого давления 1 и первой сборной камерой С1, таким образом, что утечки пара F16 из указанного модуля высокого давления 1, в частности, из его основной камеры 1', через его уплотнительное устройство 101 собираются и направляются по каналу 55 к основной камере 2' модуля среднего давления 2 или на вход основной камеры 3' модуля низкого давления 3. Это обеспечивает возможность дальнейшей оптимизации парового цикла путем использования энергии пара, полученного из утечек модуля высокого давления, в рабочем цикле модуля среднего давления или модуля низкого давления.
В третьей сборной камере поддерживается уровень давления РТ между давлением внутри корпуса 10 модуля высокого давления [около 11,5 бар (1,15 МПа)] и давлением в первой сборной камере С1 [около 1,15 бар (0,115 МПа)]. В данном примере давление в третьей сборной камере составляет приблизительно 3 бар (0,3 МПа).
На Фиг.3 показано уплотнительное устройство 101 модуля высокого давления 1, представленного на Фиг.2. На чертеже виден корпус 10, называемый также наружным корпусом модуля. В этом корпусе установлен торец ротора 50, соединенного с вращающимся валом 5. В конце корпуса 10 имеются три камеры С1, C3, С4. Третья сборная камера C3 расположена между основной камерой 1' корпуса 10 модуля высокого давления 1 и первой сборной камерой С1.
По каналу 19, выполненному в корпусе 10, утечки пара F16 пара из основной камеры 1' модуля высокого давления 16 через четвертое уплотнение 16 поступают в третью сборную камеру C3. Затем эти утечки по каналу 55 направляются к рабочей ступени (на вход 56) модуля низкого давления 2 или на вход основной камеры 3' (по каналу 43) модуля низкого давления 3.
По каналу 17, выполненному в корпусе, утечки пара F11 через первое уплотнение 11 направляются в первую камеру С1. Пар, собранный в камере С1, затем посылается в инжекционную камеру Са, Cb модуля низкого давления 3 по каналу 15 и первому контуру 61.
По каналу 18, выполненному в корпусе, утечки пара F12 через второе уплотнение 12, а также воздух, поступающий через третье уплотнение 13, направляются в четвертую камеру С4 с пониженным давлением. Воздух и пар, поступающие в четвертую камеру С4, засасываются во второй контур 60 через канал 14. Такое выполнение предотвращает попадание воздуха в модуль высокого давления.
Следует отметить, что первое и второе уплотнения 11, 12 состоят из двух кольцевых уплотнительных элементов, четвертое уплотнение 16 состоит из четырех кольцевых уплотнительных элементов, и что третье уплотнение 13 состоит из одного кольцевого уплотнительного элемента.
Для того, чтобы использовать уплотнительное устройство, показанное на Фиг.3, на установке, показанной на Фиг.1, необходимо просто устранить третью камеру C3, канал 19 и уплотнение 16.
На Фиг.4 показано уплотнительное устройство 200 модуля среднего давления 2, представленного на Фиг.1 и 2. В корпусе 20 установлен торец ротора 50, соединенного с вращающимся валом 5. В конце корпуса 20 имеются две камеры С2, С4. Вторая сборная камера С2 расположена между основной камерой 2' модуля среднего давления 2 и четвертой сборной камерой С24.
По каналу 27, выполненному в корпусе 20, утечки пара F21 из основной камеры 2' модуля среднего давления 2 через первое уплотнение 21 поступают во вторую сборную камеру С2. Затем эти утечки посылаются в инжекционную камеру Са, Cb модуля низкого давления 3 по каналу 25 и первому контуру 61.
По каналу 28, выполненному в корпусе, утечки пара F22 через второе уплотнение 22, а также воздух, поступающий через третье уплотнение 23, направляются в первую камеру С24 с пониженным давлением. Воздух и пар, поступающие в четвертую камеру С4, засасываются во второй контур 60 через канал 24.
Первое и второе уплотнения 21, 22 состоят из двух кольцевых уплотнительных элементов. Третье уплотнение 23 состоит из одного кольцевого уплотнительного элемента.
Конструкция уплотнительного устройства 300а, 300b модуля низкого давления 3 такая же, как конструкция, показанная на Фиг.4 для модуля среднего давления 2.
Каждая из первой, второй, третьей и четвертой камер С1, С2, C3, С4, С24, С4а, C4b, так же, как и инжекционные камеры Са, Cb, соединяются непосредственно по меньшей мере одним каналом 17, 27, 19, 18, 28, выполненным в корпусах 10, 20, 30 с каналом передачи утечек между указанным валом 5 турбины и соответствующими корпусами 10, 20, 30. Каждый из каналов сообщается с указанным каналом передачи утечек между двумя кольцевыми уплотнениями 11, 12, 13, 16, 21, 22, 23, 31а, 32а, 33а, 31b, 32b, 33b.
На практике, величины расходов различных утечек между вращающимся валом и уплотнениями регулируются путем изменения проходимости канала между уплотнением и валом. Данную проходимость изменяют путем задания величины зазора между валом и уплотнениями. Ее можно также регулировать путем изменения количества используемых кольцевых уплотнительных элементов.
Показанная на Фиг.1 установка фактически пригодна для конфигурации, содержащей три модуля низкого давления 3. Что касается установки, показанной на Фиг.2, она фактически пригодна для конфигурации, содержащей два модуля низкого давления 2.
Альтернативно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, установка может иметь один корпус, в котором размещены как паровой турбинный модуль высокого давления, так и паровой турбинный модуль среднего давления (не показан). В данном случае, первая сборная камера (С1) и вторая сборная камера (С2) размещены в одном и том же корпусе, каждая из указанных первой и второй сборной камер расположены соответственно на выходах турбин высокого и среднего, через свои уплотнительные устройства при давлении выше атмосферного.
Такая установка, в частности ядерная установка, предназначена для работы с большими расходами насыщенного пара при низких температурах и давлениях. В частности, модуль высокого и среднего давления предназначен для работы с расходом насыщенного пара, составляющим 5000 т/ч, предпочтительно 8000 т/ч, при низкой температуре, т.е. при температуре ниже 350°С, предпочтительно ниже 300°С, и при давлениях ниже 100 бар (10 МПа).
И, наконец, выходное давление или давление на выходе из устройства сопряжения между модулями турбин высокого и среднего давления, предпочтительно, составляет менее 10 бар (1 МПа).