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
MAGNETIC SEPARATION OF NON-OXIDISED HYDROGEN GAS FROM MEDIUM OF SUPERHEATED STEAM UNDER PRESSURE USING MAGNETIC FIELD OF SOLENOID AFTER COMBUSTION SYSTEM IN STEAM TURBINE CYCLE OF NUCLEAR HEAT AND POWER PLANTS

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования в паротурбинных установках АЭС с системой сжигания водорода с кислородом с содержанием недоокисленного водорода в основном потоке рабочего тела под давлением после системы сжигания перед поступлением в турбину.
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 В03С1/02, 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 нс 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 В01D 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.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является 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.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности, надежности и простота процесса магнитной сепарации.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность осуществления магнитной сепарации недоокисленного газообразного водорода из среды перегретого водяного пара под давлением после системы сжигания в цикле паротурбинной установки АЭС.
Указанный технический результат достигается тем, что магнитный сепаратор включает соленоид, рабочий канал для транспортировки очищаемого потока, согласно изобретению, 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, при этом 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.
Использование магнитной сепарации повышает эффективность, надежность и упрощает процесс. Это достигается тем, что в системе сжигания водорода с кислородом образуется высокотемпературный перегретый водяной пар, который затем смешивается с основным потоком влажного водяного 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. Перегретый основной поток водяного пара с температурой порядка 300-500°C под давлением с содержанием некоторой доли недоокисленного водорода и кислорода далее двигается в трубопроводе прямолинейного направления через область воздействия неоднородного магнитного поля соленоида, в виде обмотки с внешней стороны трубопровода и подключенного к источнику электропитания. При этом обеспечивается заданная индукция и напряженность неоднородного магнитного поля, достаточная для того, чтобы содержащийся в паре недоокисленный водород и кислород приобрели намагниченность. Вследствие того, что соленоид обмотан с внешней стороны трубопровода таким образом, что вектор магнитной индукции сонаправлен с направлением движения недоокисленного водорода и кислорода в потоке перегретого водяного пара, то возникающая при этом сила Лоренца будет направлена перпендикулярно направлению движения недоокисленного водорода и кислорода, искривляя их траектории движения. При этом, поскольку водород является диамагнетиком, то появление силы Лоренца приведет к его выталкиванию из области более сильного поля, от оси трубопровода в область более слабого поля, к периферии, где расположена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром. Кислород является парамагнетиком и появление силы Лоренца приведет к его выталкиванию из области слабого поля в область более сильного поля, к оси трубопровода. В результате недоокисленный водород контактирует с поверхностью селективной мембраны и диффундирует сквозь нее. За счет избирательного свойства мембраны диффузия сквозь нее возможна только для водорода. Открытие выпускного клапана на стравливающем трубопроводе сообщающегося с основным будет приводить к удалению недоокисленного водорода в специальную аккумулирующую систему для дальнейшего использования. Использование датчика концентрации будет фиксировать наличие удаления отсепарированного недоокисленного водорода. Очищенный от содержания водорода перегретый водяной пар поступает затем на лопатки турбоагрегата, где расширяется с получением полезной работы. Удаление кислорода посредством деаэрации.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена схема магнитного сепаратора для сепарации недоокисленного газообразного водорода из среды перегретого водяного пара с использованием магнитного поля соленоида после системы сжигания в паротурбинном цикле АЭС. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - основной трубопровод; 2 - соленоид; 3 - селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром; 4 - стравливающий трубопровод диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода; 5 - выпускной клапан диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода; 6 - датчик концентрации диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода.
Магнитная сепарация недоокисленного газообразного водорода из среды перегретого водяного пара под давлением с использованием магнитного поля соленоида после системы сжигания в паротурбинном цикле АЭС включает подачу перегретого водяного пара после системы сжигания водорода с кислородом внутри прямолинейного участка основного трубопровода 1 с содержанием недоокисленного водорода и кислорода, соленоид 2 с внешней стороны основного трубопровода, подключенный к источнику электропитания, селективную мембрану 3 на основе сплава палладия с серебром и расположенную во внутренней части основного трубопровода 1 в пристеночной области по всему периметру на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток перегретого водяного пара от недоокисленного газообразного водорода под давлением, стравливающий трубопровод диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 4 с внешней стороны основного трубопровода 1 и сообщающийся с ним, с установленным на нем выпускным клапаном диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 5 и датчиком концентрации диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 6.
Магнитная сепарация недоокисленного газообразного водорода из среды перегретого водяного пара под давлением с использованием магнитного поля соленоида после системы сжигания в цикле паротурбинной установки АЭС работает следующим образом.
Пар, вырабатываемый паропроизводящей установкой (например, парогенератор АЭС) перед срабатыванием в турбоагрегате перегревается за счет смешения с высокотемпературным водяным паром, полученным в результате окисления 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 окислиться. Таким образом, перегретый основной поток водяного пара под давлением с содержанием некоторой доли недоокисленного водорода и соответственно кислорода после системы сжигания на пути к турбоагрегату по основному трубопроводу 1 проходит через неоднородное магнитное поле соленоида 2. Соленоид 2 представляет собой соответствующее количество витков высоковольтного электрического кабеля снаружи по периметру основного трубопровода 1 с движущимся перегретым водяным паром под давлением с содержанием в нем недоокисленного водорода и кислорода. При этом соленоид намотан таким образом, что вектор магнитной индукции (В) сонаправлен с направлением движения (υ) недоокисленного водорода и кислорода в потоке перегретого водяного пара и возникающая при этом сила Лоренца (Fл) будет направлена перпендикулярно направлению движения недоокисленного водорода и кислорода, искривляя их траектории движения. При этом обеспечивается заданная индукция и напряженность неоднородного магнитного поля достаточная для того, чтобы содержащийся в паре недоокисленный водород и кислород приобрели намагниченность. Поскольку водород является диамагнетиком, то появление силы Лоренца приведет к его выталкиванию из области более сильного поля, от оси основного трубопровода 1 в область более слабого поля, к периферии, где расположена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром 3. Кислород является парамагнетиком и появление силы Лоренца приведет к его выталкиванию из области слабого поля, от периферии основного трубопровода 1 в область более сильного поля, к оси основного трубопровода 1. В результате недоокисленный водород контактирует с поверхностью селективной мембраны на основе сплава палладия с серебром 3 и диффундирует сквозь нее. За счет избирательного свойства мембраны диффузия сквозь нее возможна только для водорода. Открытие выпускного клапана, диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 5 на стравливающем трубопроводе, диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 4, сообщающегося с основным трубопроводом 1, будет приводить к удалению недоокисленного водорода в специальную аккумулирующую систему для дальнейшего использования. Использование датчика концентрации диффундирующего сквозь мембрану отсепарированного водорода 6 будет фиксировать наличие его удаления. Очищенный от содержания недоокисленного водорода перегретый водяной пар поступает затем на лопатки турбоагрегата, где расширяется с получением полезной работы. Удаление кислорода происходит посредством деаэрации.