МАГНИТНАЯ СЕПАРАЦИЯ НЕПРОРЕАГИРОВАВШЕГО ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА ИЗ СРЕДЫ ВОДЯНОГО ПАРА ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСИЛИТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА В ПАРОТУРБИННОМ ЦИКЛЕ АТОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
MAGNETIC SEPARATION OF UNREACTED HYDROGEN GAS FROM A WATER VAPOR MEDIUM UNDER PRESSURE USING A SOLENOID MAGNETIC FIELD AMPLIFIER IN THE STEAM TURBINE CYCLE OF NUCLEAR THERMAL POWER PLANTS

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования в паротурбинных установках (ПТУ) АЭС с системой сжигания водорода в кислороде с целью перегрева рабочего тела паротурбинного цикла.
Известен магнитный сепаратор-очиститель, содержащий рабочие каналы, заполненные ферромагнитной насадкой и разделенные перегородками на секции, намагничивающую систему в виде соленоидов, размещенную снаружи рабочих каналов и снабженную устройством для возвратно-поступательного перемещения, входной и выходной патрубки (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №1501356, МПК В03С 1/02, опубл. 23.10.1991 г.). Магнитный сепаратор-очиститель предназначен для магнитного разделения веществ на ферромагнитные и неферромагнитные фракции, преимущественно к аппаратурному оформлению устройств для осуществления этого процесса и может быть использовано в горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, тепловой и атомной энергетике.
Недостатком известного магнитного сепаратора-очистителя является отсутствие возможности сквозного пропуска очищаемого потока под давлением без изменения направления течения вследствие разделения рабочего канала на секции и изменения направления течения очищаемого потока на противоположное. Также недостатком является возникновение центростремительной силы и, как следствие, дополнительных механических напряжений в конструкции устройства вследствие изменения направления течения очищаемого потока на противоположное. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути движения очищаемого потока вследствие изменения направления течения на противоположное, изменения проходного сечения рабочего канала, наличия магнитных насадок внутри рабочих каналов. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений и ограничение пропускной способности по очищаемому потоку вследствие наличия входного и выходного патрубков по очищаемому потоку. Это снижает эффективность, надежность и усложняет процесс магнитной сепарации.
Известно устройство для сепарации магнитных частиц, содержащее фильтровальный элемент, выполненный в виде множества плотно прилегающих друг к другу проволочных сеток из ферромагнитного некорродирующего материала, установленных перпендикулярно продольной оси устройства и магнитную систему, выполненной в виде катушки, установленной коаксиально фильтровальному элементу и ферромагнитного ярма в виде трубы, охватывающей катушку с двумя круглыми пластинами, установленными на торцах трубы, снабжено набором ферромагнитных элементов, установленных равномерно между фильтровальным элементом и пластиной ферромагнитного ярма, размещенной на входе (см. описание изобретения к патенту №1069608, МПК В03С 1/00, опубл. 23.01.1984 г.). Устройство для сепарации магнитных частиц предназначено для сепарации магнитных частичек до 1 мкм по принципу высокоградиентной техники магнитного сепарирования из текущей среды.
Недостатком известного устройства для сепарации магнитных частиц является возникновение центростремительной силы и, как следствие, дополнительных механических напряжений в конструкции устройства и отсутствие возможности сквозного пропуска очищаемого потока под давлением без изменения направления течения вследствие изменения направления течения очищаемого потока на противоположное. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути движения очищаемого потока вследствие изменения направления течения на противоположное, изменения проходного сечения рабочего канала, наличия ферромагнитного фильтрующего элемента внутри рабочего канала. Это снижает эффективность, надежность и усложняет процесс магнитной сепарации.
Известно устройство для опреснения природной и технологической воды, содержащее винтовой канал, образованный двумя ионными сепараторами в виде цилиндрических поверхностей из капиллярно-пористого или волокнистого диэлектрического материала с радиальным расположением капилляров пор или волокон и винтовой поверхностью из диэлектрического материала, две цилиндрические стенки устройства из диэлектрического материала с запресованными в них цилиндрическими металлическими пластинами, цилиндрические разрядные сетки в кольцевых каналах для католита и анолита, образованных цилиндрическими сетками устройства и ионными сепараторами, соленоидальную обмотку на внешней цилиндрической стенке устройства, сердечник из диамагнитного материала с сильными диамагнитными свойствами, электроизолированные разрядные провода в экранирующих оболочках из ферромагнитного материала, патрубок для ввода опресняемой воды, патрубок для вывода опресненной воды, патрубок для вывода анолита, патрубок для вывода католита (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №1430356, МПК 4C02F 1/48, опубл. 15.10.1988 г.). Изобретение предназначено для опреснения и умягчения природной и технологической воды с помощью электростатических и магнитных полей и позволяет повысить качество опреснения и умягчения воды, увеличить относительный выход опресненной воды, снизить металлоемкость устройства и повысить надежность устройства.
Недостатком известного устройства является возникновение центростремительной силы и, как следствие, дополнительных механических напряжений в конструкции устройства при пропуске через устройство очищаемого потока под давлением вследствие использования винтообразного рабочего канала, а также дополнительные гидравлические сопротивления и ограничение пропускной способности по очищаемому потоку из-за наличия входного и выходного патрубков. Это снижает эффективность, надежность и усложняет процесс магнитной сепарации.
Известен способ и установка для очистки жидких углеводородов от серы, содержащая устройство подогрева жидких углеводородов и возбудитель электромагнитных импульсов, связанным с емкостью и представляющим собой генератор однополярных импульсов мощностью более 1 МВт, длительностью менее 1 не и частотой повторения не менее 1 кГц с излучателем. Устройство подогрева, выполненное в виде регулируемого теплообменника, установлено между системой подвода и системой распыления, выполненной в виде форсуночного блока, размещенного внутри емкости и соединено с емкостью через насос. Излучатель размещен в емкости вдоль ее продольной оси и выполнен в виде длинного металлического стержня. Система отвода жидких углеводородов из емкости соединена с сепаратором и системой охлаждения через фильтр и насос. Емкость и система отвода снабжены патрубками для отвода образующихся при обработке газов и осадков (см. описание изобретения к патенту №2301252, МПК C10G 32/02, опубл. 20.06.2007 г). Изобретение относится к средствам обработки жидких углеводородов, в частности, светлых нефтепродуктов, для их очистки от серы посредством электромагнитных полей и может широко использоваться в нефтехимической промышленности и в энергетике.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности сквозного пропуска очищаемого потока под давлением без изменения направления течения вследствие изменения направления течения перпендикулярно первоначальному. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений вследствие использования распылительных устройств, а также изменение проходного сечения рабочего канала на пути движения очищаемого потока при выходе из зоны воздействия электромагнитного поля. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути движения очищаемого потока вследствие расположения излучателя генератора электромагнитных импульсов внутри рабочего канала непосредственно в среде очищаемого потока. Это снижает эффективность и усложняет процесс магнитной сепарации.
Известен способ разделения водонефтяной эмульсии и устройство для его осуществления, содержащее корпус, преимущественно круглой формы и выполненной преимущественно из немагнитного материала с патрубком для ввода водонефтяной эмульсии и патрубками выводы воды и нефти. Внутри корпуса расположены электроды, подключенные к источнику постоянного напряжения. При подаче постоянного напряжения на электроды образуется электрическое поле. Вне корпуса расположена электрическая схема, выполненная в виде 2N сегментов и расположенных на противоположных сторонах корпуса. Каждый из сегментов выполнен из сердечника с намотанной на него катушкой, которая соединена с источником электрического тока. При прохождении по катушкам электрического тока образуется магнитное поле (см. описание изобретения к патенту №2424844, МПК B01D 17/06, опубл. 27.07.2011 г). Изобретение относится к разделению двух- или трехфазных потоков жидкостей и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Недостатком известного изобретения является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений и ограничение пропускной способности на пути движения очищаемого потока вследствие наличия впускного и выпускного патрубков. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути движения очищаемого потока вследствие расположения электродов внутри рабочего канала непосредственно в среде очищаемого потока. Это снижает эффективность процесса магнитной сепарации.
Известен магнитогидродинамический сепаратор, содержащий соленоид, канал для транспортировки металла, рассекатель, установленный в канале на входе в соленоид, отводящую трубку, срез входного конца которой расположен на оси соленоида между его центром и рассекателем на расстоянии 0,3-0,4 полудлины соленоида от его центра (см. описание изобретения к патенту №1702702, МПК С22В 9/00, опубл. 15.11.1994). Изобретение относится к металлургии, к конструкции магнитогидродинамического сепаратора для рафинирования расплавленного металла от неметаллических (слабопроводящих) включений.
Недостатком известного магнитогидродинамического сепаратора является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути очищаемого потока вследствие наличия рассекателя и отводящей трубки внутри рабочего канала непосредственно в среде очищаемого потока, а также отсутствие возможности сквозного пропуска очищаемого потока под давлением без изменения направления течения вследствие изменения направления течения перпендикулярно первоначальному. Также недостатком является возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений на пути движения очищаемого потока вследствие изменения направления течения перпендикулярно первоначальному. Это снижает эффективность процесса магнитной сепарации.
Наиболее близким аналогом является магнитная сепарация недоокисленного газообразного водорода из среды перегретого водяного пара под давлением с использованием магнитного поля соленоида после системы сжигания в паротурбинном цикле атомных теплоэнергетических установок (патент РФ на изобретение №2579849, МПК B01D 53/00, В03С 1/02, С01В 3/50, опубл. 10.04.2016 г). Магнитный сепаратор включает соленоид, рабочий канал для транспортировки очищаемого потока. Основной трубопровод круглого сечения имеет прямолинейное направление, во внутренней части которого в пристеночной области по всему периметру установлена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток перегретого водяного пара под давлением от недоокисленного газообразного водорода после системы сжигания в цикле паротурбинной установки. С внешней стороны основного трубопровода предусмотрен сообщающийся с ним стравливающий трубопровод диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода с установленным на нем соответствующим выпускным клапаном, а также датчиком концентрации диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода.
Недостатком известного изобретения является наличие запредельно большой силы тока, текущего в соленоиде, что связано с генерацией магнитного поля с высокой магнитной индукцией ввиду слабой намагниченности водорода. Это приводит к громоздкости, перегреву и ненадежности работы соленоида, что снижает эффективность магнитной сепарации непрореагировавшего водорода.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы соленоида и эффективности процесса магнитной сепарации.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение надежности работы соленоида и эффективности магнитной сепарации непрореагировавшего водорода за счет использования металлического магнитного материала с целью усиления магнитной индукции при относительно невысокой силе тока в соленоиде.
Указанный технический результат достигается тем, что магнитный сепаратор, включающий соленоид, рабочий канал для транспортировки очищаемого потока, основной трубопровод, выполненный с возможностью прямолинейного направления водяного пара, во внутренней части которого в пристеночной области по всему периметру установлена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток водяного пара под давлением от непрореагировавшего газообразного водорода в цикле паротурбинной установки, согласно изобретения, с внешней стороны вокруг всего соленоида установлен металлический магнитный материал, при этом витки токового провода соленоида находятся внутри водяной рубашки охлаждения.
Использование магнитной сепарации повышает надежность работы соленоида и эффективность удаления непрореагировавшего водорода из паровой фазы рабочего тела паротурбинной установки АЭС. Это достигается тем, что в системе сжигания водорода с кислородом образуется высокотемпературный перегретый водяной пар, который затем смешивается с основным потоком пара, предназначенного для расширения в турбоагрегате АЭС, и перегревает его. При этом доля добавочного пара незначительна и в итоге не сильно изменяет расход основного рабочего тела. Ввиду сложности обеспечения условий для полного сжигания топлива, образуется непрореагировавший водород и кислород в потоке рабочего тела паротурбинной установки  АЭС, что представляет угрозу образования гремучей смеси. После того, как пар с содержанием некоторого количества непрореагировавшего водорода и кислорода отработал в цилиндре низкого давления (ЦНД) турбины и давление его снизилось, далее двигается в трубопроводе прямолинейного направления через область воздействия неоднородного магнитного поля соленоида, в виде обмотки токового провода в изоляции с внешней стороны трубопровода, находящейся внутри водяной рубашки охлаждения и подключенного к источнику электропитания. Вследствие того, что соленоид обмотан с внешней стороны трубопровода, то вектор магнитной индукции сонаправлен с направлением движения пара с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода. В этом случае возникающая сила Лоренца, действующая на электроны непрореагировавшего водорода, направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции поля. У молекулярного водорода (диамагнетик) ввиду спаренности электронов отсутствует собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля в результате действия силы Лоренца искривляются сферические орбиты движения электронов, что создает силу, стремящаяся переместить водород в область более слабого поля, т.е., в направлении к периферии внутреннего пространства трубопровода, где искривления орбит будут минимальными. У молекулярного кислорода (парамагнетик) ввиду наличия неспаренных электронов имеется собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля спины неспаренных электронов ориентируются в направлении поля и кислород втягивается в область более сильного поля, т.е., в направлении к центральной оси соленоида, совпадающей с центром трубопровода. Таким образом, это приводит к взаимному разделению водорода и кислорода в неоднородном магнитном поле. С целью применения относительно невысокой силы тока в соленоиде и уменьшения толщины токопроводящей жилы с внешней стороны вокруг него необходимо наличие металлического магнитного материала, способствующий усилению магнитной индукции. Это позволяет обеспечить необходимую магнитную индукцию неоднородного магнитного поля достаточную для того, чтобы содержащийся в паре непрореагировавший водород и кислород приобрели намагниченность с последующим взаимным разделением. Давление рабочей среды создает проталкивающую силу. Воздействие неоднородного магнитного поля создает выталкивающую силу. Это приводит к тому, что перемещение непрореагировавшего водорода и кислорода в процессе их разделения будет происходить в направлении некоторой результирующей силы под углом относительно прямолинейной траектории движения. В результате непрореагировавший водород, выталкиваясь в область более слабого поля к периферии трубопровода контактирует с поверхностью селективной палладиевой мембраны и диффундирует внутрь нее с последующей абсорбцией. За счет избирательного свойства мембраны диффузия в нее возможна только для водорода. Необходимая рабочая температура мембраны может обеспечиваться электронагревом. Очищенный от содержания водорода водяной пар с непрореагировавшим кислородом поступает затем в конденсатор турбины. Удаление кислорода возможно посредством деаэрации. Автором заявки на основании разработанной физической модели магнитной сепарации и методики расчета определено, что эффективность воздействия неоднородного магнитного поля тем выше, чем ниже проталкивающая сила, которая зависит от давления среды.
выт
прот
рез
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена схема магнитного сепаратора непрореагировавшего газообразного водорода из среды водяного пара под давлением с использованием усилителя магнитного поля соленоида в паротурбинном цикле атомных теплоэнергетических установок. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - витки соленоида; 2 - водяная рубашка охлаждения; 3 - стенка трубопровода; 4 - поглощающая водород палладиевая мембрана; 5 - магнитный металлический материал; 6 - линии магнитной индукции поля; F - выталкивающая сила; F - проталкивающая сила; F - результирующая сила; α - угол изменения траектории перемещения непрореагировавшего водорода и кислорода в результате действия магнитного поля.
Магнитный сепаратор непрореагировавшего газообразного водорода из среды водяного пара под давлением с использованием усилителя магнитного поля соленоида в паротурбинном цикле атомных теплоэнергетических установок включает подачу пара во внутрь прямолинейного участка трубопровода после системы сжигания водорода с кислородом после того, как пар отработает в цилиндре низкого давления турбины с понижением давления до попадания в конденсатор турбины с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода, соленоид 1 с рубашкой охлаждения 2 с внешней стороны трубопровода, подключенный к источнику электропитания, селективную мембрану 4 на основе сплава палладия с серебром и расположенную во внутренней части трубопровода в пристеночной области по всему периметру на участке воздействия неоднородного магнитного поля на очищаемый поток водяного пара от непрореагировавшего газообразного водорода под давлением, с внешней стороны вокруг соленоида магнитный металлический материал 5 с целью усиления магнитной индукции неоднородного поля за счет взаимодействия линий поля 6 с металлическим материалом 5.
Магнитный сепаратор непрореагировавшего газообразного водорода из среды водяного пара под давлением с использованием усилителя магнитного поля соленоида в паротурбинном цикле атомных теплоэнергетических установок работает следующим образом.
прот
выт
рез
выт
выт
Пар, вырабатываемый парогенераторами АЭС перед срабатыванием в турбине перегревается за счет смешения с высокотемпературным водяным паром, полученного в результате сжигания водорода в кислороде. При этом доля добавочного высокотемпературного пара незначительна и в итоге не сильно изменяет расход основного рабочего тела. Примерно 2-5% об. водорода может не прореагировать. Таким образом, в основной поток водяного пара под давлением попадает некоторое количество непрореагировавшего водорода и, соответственно, кислорода, что представляет угрозу образования гремучей смеси. После того, как пар отработает в цилиндре низкого давления турбины  и снизит свое давление перед тем как попасть в конденсатор турбины он проходит по трубопроводу через область воздействия неоднородного магнитного поля соленоида 1. Соленоид 1 представляет собой определенное количество витков электрического провода внутри водяной рубашки охлаждения намотанного снаружи по периметру трубопровода с движущимся водяным паром под давлением с содержанием в нем непрореагировавшего водорода и кислорода. При этом соленоид намотан таким образом, что линии магнитной индукции поля сонаправлены с направлением движения непрореагировавшего водорода и кислорода, т.е., в направлении действия проталкивающей силы (F) в потоке водяного пара и возникающая при этом выталкивающая сила (F) будет способствовать взаимному разделению водорода и кислорода в направлении некоторой результирующей силы (F), направленной под углом относительно прямолинейной траектории движения среды. С целью применения относительно невысокой силы тока в соленоиде, уменьшения толщины токопроводящей жилы и ее перегрева с внешней стороны вокруг всего соленоида необходимо наличие металлического магнитного материала 5, способствующий усилению магнитной индукции за счет взаимодействия линий поля 6 с металлическим материалом 5. Это позволяет обеспечить необходимую магнитную индукцию неоднородного магнитного поля достаточную для того, чтобы содержащийся в паре непрореагировавший водород и кислород приобрели намагниченность с последующим взаимным разделением. У молекулярного водорода (диамагнетик) ввиду спаренности электронов отсутствует собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля в результате действия силы Лоренца искривляются сферические орбиты движения электронов, что создает силу (F), стремящаяся переместить водород в область более слабого поля, где искривления орбит будут минимальными, т.е., в направлении к периферии внутреннего пространства трубопровода. У молекулярного кислорода (парамагнетик) ввиду наличия неспаренных электронов имеется собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля спины неспаренных электронов ориентируются в направлении поля, что создает силу (F) и кислород втягивается в область более сильного поля, т.е., в направлении к центральной оси соленоида, совпадающей с центром трубопровода. Таким образом, это приводит к взаимному разделению водорода и кислорода в неоднородном магнитном поле. В результате непрореагировавший водород, выталкиваясь в область более слабого поля к периферии трубопровода контактирует с поверхностью селективной палладиевой мембраны 4 и диффундирует внутрь нее с последующей абсорбцией. Необходимая рабочая температура мембраны может быть обеспечена за счет электронагрева. За счет избирательного свойства мембраны диффузия в нее возможна только для водорода. Очищенный от содержания водорода водяной пар с содержанием непрореагировавшего кислорода поступает затем в конденсатор турбины. Удаление кислорода возможно посредством деаэрации.
Отличительным признаком предложенной магнитного сепаратора непрореагировавшего газообразного водорода из среды водяного пара под давлением с использованием усилителя магнитного поля соленоида в паротурбинном цикле атомных теплоэнергетических установок является наличие магнитного металлического материала с наружной стороны соленоида с водяным охлаждением.