ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для повышения экономичности паросиловых установок.
Паросиловые установки предназначены для преобразования тепловой энергии пара используемого в них рабочего тела в механическую энергию. Наиболее часто в качестве рабочего тела паросиловых установок используют воду, так как она является дешевым, экологически безопасным и легко доступным рабочим телом. Наиболее широкое распространение паросиловые установки получили в транспорте (например, паровозы и силовые установки кораблей) и электроэнергетике, где они используются для привода электрогенераторов тепловых электростанций (ТЭС).
Аналогом данного изобретения является паросиловая установка, используемая на большинстве электростанций, как ТЭС, так и АЭС [1, стр 428, 430; 2, стр 34]. Принципиальная схема простейшей такой установки представлена на фиг.1.
Обозначения, используемые на фиг.1:
1. - Парогенератор.
2. -Турбина.
3. -Конденсатор.
4. -Насос.
Паросиловая установка состоит из парогенератора 1, выход которого соединен со входом в паровую турбину 2. Выход паровой турбины 2 соединен со входом в конденсатор 3, выход которого соединен со входом в насос 4. Выход насоса 4 соединен со входом в парогенератор 1.
За счет подвода тепла от внешнего источника (таким источником могут быть сгоревшие органические вещества - газ, уголь, мазут и т.д., или ядерный реактор - для АЭС) в парогенераторе 1 происходит испарение рабочего тела (воды) и перегрев пара до некоторой температуры, определяемой коррозионной стойкостью используемых в паросиловой установке конструкционных материалов и давлением рабочего тела в цикле (в зависимости от конструкции парогенератор может производить насыщенный или перегретый пар, в последнем случае в состав парогенератора входит перегреватель пара, выделяемый в некоторых источниках в отдельный агрегат для увеличения наглядности схемы). Из парогенератора 1 перегретый пар высокого давления подается в турбину 2, где за счет перепада давления на турбине 2 часть тепловой энергии перегретого пара преобразуется в механическую энергию (за счет этой механической энергии приводится в действие электрогенератор, вырабатывающий электричество - на схеме не показан). При этом на выходе из турбины 2 водяной пар становится влажным (находится близко к линии насыщения) для обеспечения максимальной экономичности паросиловой установки. После выхода из турбины 2 влажный пар подается в конденсатор 3, где конденсируется до жидкого состояния. При этом, снижение температуры рабочего
тела в конденсаторе 3 может составлять доли градусов, но этого достаточно для осуществления конденсации.
На электростанциях используется конденсатор поверхностного типа, когда тепло, выделяемое рабочим телом при конденсации отводится во вне за счет взаимодействия с охлаждающей средой (воздух или вода из внешнего водоема) через разделительную поверхность.
После конденсации рабочее тело подается в насос 4, где происходит нагнетание давления в цикле, и после насоса 4 рабочее тело подается на вход в парогенератор 1 уже с высоким давлением. Цикл замкнулся.
Регулировка мощности данной паросиловой установки производится за счет регулирования подвода тепла (например, за счет изменения массового секундного расхода сгорающего органического топлива или регулировки мощности атомного реактора). Элементы регулирования на фиг.1 не показаны. Их конструкция и функционирование значительно различаются как в зависимости от типа используемого источника тепловой энергии, так и в зависимости от их конкретного конструктивного исполнения.
Недостатком данной паросиловой установки является ее относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД): отношение тепловой энергии, выделенной источником тепла в парогенераторе, к механической работе, получаемой на паровой турбине. Для современных ТЭС КПД равен 30-40% даже при использовании специальных конструктивных мер по повышению экономичности: например, регенеративных теплообменников для возврата тепла, выделившегося в парогенераторе [1, стр 452; 2, стр 60], а для АЭС - ~30%. При этом
эффективность таких регенераторов низка и они не могут существенно повысить КПД паросиловой установки даже при использовании многокаскадной схемы регенерации, а сложность конструкции паросиловой установки из-за использования регенераторов значительно увеличивается.
В значительной мере низкий КПД паросиловой установки-аналога связан с тем, что из-за ограничений по коррозионной стойкости конструкционных материалов в перегретом водяном паре его температура не превышает ~570°С [2, стр59], и это ведет к тому, что основная доля тепла, подводимого к рабочему телу в парогенераторе 1 идет на перевод воды из жидкого состояния в газообразное и не может быть преобразована в турбине 2 в механическую работу, так как пар в турбине 2 работает только до достижения уровня насыщения (при дальнейшем снижении температуры пар конденсируется и эффективность его работы на турбине резко падает, вплоть до преобладания потерь над возможной дополнительной полезной работой).
В связи с тем, что избыточная работа в данной паросиловой установке получается за счет разности работы совершаемой паром в турбине 2 и работе, затрачиваемой насосом 4 на повышение давления жидкости, то 50-70% тепла подведенного к жидкости в парогенераторе 1 необходимо сбрасывать в окружающую среду с помощью конденсатора 3.
Этот недостаток можно частично устранить, если использовать в показанной выше паросиловой установке двухфазный инжектор аналогично схеме, показанной на рис.5.406 [3, стр 224] (прототип).
Схема паросиловой установки-прототипа показана на фиг.2.
Обозначения, используемые на фиг.2:
1. - Парогенератор.
2. - Турбина.
4. - Насос.
5. - Двухфазный инжектор.
6. - Холодильник.
По сравнению с паросиловой установкой-аналогом, данная установка имеет в своем составе дополнительные элементы: двухфазный инжектор 5 (двухфазный струйный аппарат, в котором на входе в аппарат полное давление жидкости меньше полного давления газа) и, вместо конденсатора 3, холодильник 6. Выход из турбины 2 соединен со входом по пару в двухфазный инжектор 5, а выход двухфазного инжектора 5 со входом в насос 4 и входом в холодильник 6, выход из холодильника 6 связан со входом в двухфазный инжектор 5 по жидкости. В остальном схема паросиловой установки на фиг.2 аналогична схеме паросиловой установки-аналога на фиг.1.
Отличия в работе аналога и прототипа заключается в том, что насыщенный водяной пар после турбины 2 поступает по линии пара в двухфазный инжектор 5, где конденсируется, взаимодействуя с охлажденной жидкостью, поступающей в двухфазный инжектор 5 с выхода холодильника 6. После конденсации пара в двухфазном инжекторе 5, жидкость из него имеющая повышенное давление и повышенную температуру (в результате поглощения тепла, выделившегося при конденсации части пара), разделяется: поток жидкости, равный расходу пара через
турбину 2 уходит на вход в насос 4 и далее в парогенератор 1 и после него в турбину 2, а основной поток жидкости уходит в холодильник 6 и далее в двухфазный инжектор 5.
На схеме паросиловой установки-прототипа, показанной на рис. 5.406 [3, стр 224] не показаны регулирующие элементы. Однако, их использование в большинстве случаев необходимо, т.к. в данной паросиловой установке в дополнение к регулировке ее мощности за счет регулирования подвода тепла к парогенератору, необходимо поддерживать в двухфазном инжекторе 5 требуемое соотношение расхода пара после турбины 2 и охлажденной жидкости после холодильника 6 как при работе паросиловой установки, так и при ее запуске и на неноминальных режимах работы. Конструкции регулирующих элементов, применяемых в промышленных гидравлических системах, обладают большим разнообразием (от дроссельных устройств с управляемым гидросопротивлением до обычных заслонок, с регулируемой площадью проходного сечения) и могут располагаться на разных участках трубопроводов паросиловой установки (например, перед насосом, на входе в холодильник, на выходе из холодильника, в точке разделения потока воды после инжектора и т.д.). Конструкция регулирующих элементов и их расположение определяются особенностями конструктивного исполнения и эксплуатации конкретных паросиловых установок. Кроме того, в некоторых случаях, когда не важна экономичность работы паросиловой установки на неноминальных режимах работы, при подборе гидравлических характеристик входа инжектора по пару и входа по жидкости, возможно вообще не использовать регулирующий
элемент, а соотношение пара и жидкости в двухфазном инжекторе будет поддерживаться на требуемом уровне самопроизвольно.
Особенностью двухфазного инжектора 5, используемого в паросиловой установке данной схемы является то, что помимо конденсации пара за счет инжекции происходит некоторое увеличение давления воды на выходе из него. Причем при некотором сочетании параметров пара и воды на входе в инжектор давление воды на его выходе превысит давление обоих рабочих тел на входе, т.е. станет выше давления и пара, и воды на входе в инжектор. Использование именно этого эффекта позволяет повысить КПД паросиловой установки-прототипа по сравнению с паросиловой установкой-аналогом.
Энергетическая эффективность паросиловой установки, показанной на фиг.2 будет выше, чем у паросиловой установки на фиг.1. Это связано с тем, что часть энергии, выделяемой паром при конденсации в двухфазном инжекторе, вместе с водой возвращается в парогенератор и вновь участвует в цикле. По оценкам КПД данной паросиловой установки вместо 40% для установки, показанной на фиг.1, может достигать 50-55% (соотношение массового расхода между паром и водой в инжекторе может составлять до 1:3).
Однако, в данной паросиловой установке холодильник представляет собой не конденсатор, как в паросиловой установке, показанной на фиг.1, а теплообменник на жидком рабочем теле, где нагретая после двухфазного инжектора 5 вода (нагрев происходит за счет выделения тепла при конденсации пара в инжекторе) отдает свое тепло в окружающую среду. Для таких паросиловых установок конструктивные отличия теплообменника от конденсатора ведут к тому, что
внедрение паросиловой установки-прототипа вместо паросиловой установки-аналога требует коренной переделки всей конструкции холодильника, а вместе с ним и всей паросиловой установки, что связано с огромными капиталовложениями, сравнимыми с созданием новой паросиловой установки.
Кроме того, применение двухфазных инжекторов невозможно без больших дорогостоящих переделок конденсаторов установок-аналогов из-за значительно более высоких потребных давлений рабочего тела в холодильнике для установок-прототипов. Это ведет к росту массы и габаритов элементов холодильника 6 из соображений его прочности, что, в свою очередь, т.е. фактически требует создания нового, более массивного и дорогостоящего холодильника.
Именно это является причиной того, что созданные ранее паросиловые установки-аналоги с конденсаторами в настоящее время не заменяются на паросиловые установки-прототипы, несмотря на очевидный энергетический выигрыш.
Задачей изобретения является повышение энергетических характеристик паросиловых установок и снижение их массо-габаритных характеристик и, соответственно, стоимости.
Это достигается за счет применения паросиловой установки, включающей в себя насос, парогенератор, турбину и конденсатор, при этом выход насоса связан со входом в парогенератор, а выход парогенератора соединен со входом в турбину, где в состав паросиловой установки введен двухфазный эжектор и высоконапорный насос, при этом выход турбины соединен со входом по пару в двухфазный эжектор и со входом в конденсатор, выход которого соединен со входом в высоконапорный насос, а выход высоконапорного насоса соединен со входом по
жидкости в двухфазный эжектор, при этом выход из двухфазного эжектора соединен со входом в насос.
Схема предлагаемой паросиловой установки представлена на фиг.3.
Обозначения, используемые на фиг.3:
1. - Парогенератор.
2. - Турбина.
3. -Конденсатор.
4. - Насос.
7. - Двухфазный эжектор.
8. - Высоконапорный насос.
Паросиловая установка состоит из парогенератора 1, выход которого соединен со входом в турбину 2. Выход турбины 2 соединяется со входом в конденсатор 3 и со входом по пару в двухфазный эжектор 7. Выход конденсатора 3 соединен со входом в высоконапорный насос 8, а выход высоконапорного насоса 8 соединен со входом по жидкости в двухфазный эжектор 7. Выход из двухфазного эжектора 7 соединен со входом в насос 4, а выход насоса 4 соединен со входом в парогенератор 1.
Паросиловая установка работает следующим образом.
Перегретый пар высокого давления из парогенератора 1 поступает в турбину 2, где производит механическую работу. После турбины 2 поток влажного пара низкого давления разветвляется: часть пара идет в конденсатор 3, где конденсируется в жидкость и охлаждается до заданной температуры (определяется
конструктивными параметрами паросиловой установки), а другая часть пара поступает на вход по пару двухфазного эжектора 7.
Жидкость из конденсатора 3 поступает в высоконапорный насос 8, где происходит повышение ее давления до заданной величины (также определяется конструктивными параметрами паросиловой установки). После чего жидкость поступает на вход по жидкости двухфазного эжектора 7.
В двухфазном эжекторе 7 происходит конденсация пара, пришедшего в двухфазный эжектор 7 после турбины 2, и повышение давления рабочего тела. После чего жидкость, выходящая из двухфазного эжектора 7, поступает в насос 4, где, при необходимости, давление жидкости дополнительно увеличивается до давления в парогенераторе 1. После чего жидкость подается в парогенератор 1. Цикл замкнулся.
Регулирование данной паросиловой установки может осуществляться аналогично регулированию паросиловой установки-прототипа, а используемые регулирующие элементы по принципу действия аналогичны тем, которые могут применяться в паросиловой установке-прототипе.
Предлагаемая паросиловая установка позволяет получать большой энергетический и, соответственно, экономический эффект. Для этого высоконапорный насос 8 должен повышать давление жидкости, выходящей из конденсатора 3, до уровня существенно превосходящего уровень давления пара на входе в двухфазный эжектор 7. В этом случае возможно резкое повышение доли конденсируемого пара по сравнению с прототипом.
Проведенные расчеты показали, что для ТЭС при повышении давления жидкости на входе в двухфазный эжектор 7 до 300 атмосфер можно обеспечить соотношение конденсируемого пара и воды 1,3:1, что позволяет при КПД паросиловой установки-аналога 40% поднять КПД предлагаемой установки до ~70%, против 50-55% у установки-прототипа. При этом в некоторых случаях, при обеспечении некоторых параметров в цикле, давление жидкости на выходе из эжектора будет равно рабочему давлению в парогенераторе, и в этом случае возможен отказ от использования в установке насоса 4, что упрощает конструкцию предлагаемой паросиловой установки.
Кроме того, преимущества предлагаемой установки заключаются в том, что в отличие от прототипа через эжектор будет проходить поток воды в несколько раз (для указанного выше примера, когда соотношение пара и жидкости 1:3 - в четыре раза) меньший, чем через инжектор в прототипе, что улучшает массо-габаритные характеристики эжектора по сравнению с инжектором, упрощает и удешевляет его конструкцию, конструкцию регулирующего элемента и, за счет меньшего массового расхода конденсируемого пара, позволяет сократить массу и габариты конденсатора по сравнению с установкой-аналогом.
Другим важным преимуществом предлагаемой паросиловой установки по сравнению с прототипом является, то, что она, в отличие от прототипа, может быть создана путем относительно простой и дешевой доработки паросиловой установки-аналога, когда эжектор устанавливается параллельно существующему в установке-аналоге конденсатору. По оценкам, для существующих ТЭС стоимость
такой доработки составит менее 0,7% от общей стоимости ТЭС и окупится (с учетом повышения КПД ТЭС с 40 до 70%) менее, чем за один месяц.
Использование же эжекторов в паросиловой установке-прототипе технически и экономически нецелесообразно, так как повышение давления жидкости на входе в холодильник ведет к тому, что масса холодильника резко возрастает (в десятки раз) из-за необходимости выдерживания конструкцией холодильника значительно более высокого перепада давления между жидкостью и окружающей средой, что в свою очередь, ведет к резкому повышению стоимости создания такого холодильника и делает его неприемлемым с точки зрения экономических затрат на модернизацию ТЭС.
Методика расчета и конструкция двухфазных эжекторов хорошо известны и не требуют проведения дополнительных исследований, а сами двухфазные эжектора имеют относительно простую конструкцию и могут изготавливаться на любом машиностроительной заводе.