ВОДОРОДНЫЙ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ МЕГАВАТТНОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к силовым установкам паротурбинного типа мегаваттного уровня мощности, отличающимся камерой сгорания трубчатого типа, использующей в качестве горючего газообразный водород, а в качестве окислителя - газообразный кислород, и предназначена для обеспечения перегрева низкотемпературного водяного пара.
Известны вихревая водород-кислородная камера сгорания (RU 2539243 С2) и вихревой водород-кислородный пароперегреватель (RU 2361146 С1) предназначенные для создания потока перегретого водяного пара за счет сжигания водород-кислородной смеси в паровой среде содержащие запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу и охлаждающий канал. Водяной пар из котла поступает через патрубок подвода водяного пара в охлаждающие каналы, где в виде интенсивно закрученного потока движется в сторону корпуса камеры сгорания. Через форсунки окислителя в центральный поток пара подается кислород. Образующаяся парокислородная смесь закручивается с помощью закручивающего устройства с целью интенсификации массообменных процессов и ее гомогенизации. В корпусе отверстия конического стабилизатора предусмотрены отверстия, через которые выдувается водяной пар, оттесняя фронт пламени от стенки стабилизатора и локализуя его в пространственной области, ограниченной границами рециркуляционной зоны. Дополнительное охлаждение термически нагруженной стенки пламенной трубы достигается организацией завесы из паровых струй, выдуваемых через отверстия и перфорацию в стенке жаровой трубы. Недостатком данных конструкций является использование предварительного смешения окислителя с водяным паром и подача пара в зону горения. Такое решение с одной стороны позволяет существенно снизить теплонапряженность основных узлов, но в тоже время снижает полноту сгорания водорода из-за снижения концентрации горючего и окислителя в зоне горения.
Известна также конструкция водородно-кислородного парогенератора, используемого в системе сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара (RU 2488903 С1). Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС). Водородно-кислородный парогенератор предназначен для перегрева низкотемпературного водяного пара используя теплоту сгорания водорода в кислороде и включает в себя запальное устройство, магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водородно-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины. Дожигающая камера выполнена в виде диффузора и размещена в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром. В камере нестехиометрического окисления с помощью запального устройства происходит образование смеси водяного пара с недореагировавшим кислородом при температуре, обеспечивающей самовоспламенение водорода в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления. Недостатком данной конструкции является использование камеры первоначального нестехиометрического окисления, которая снижает полноту сгорания водорода из-за снижения концентрации горючего и окислителя в зоне горения. Кроме того, использование принципа дальнейшего самовоспламенения водорода в дожигающей камере при определенных условиях может привести к образованию взрывоопасных концентраций водорода и кислорода.
Известна конструкция водородно-кислородного газогенератора (RU 165761 U1), предназначенного для нагрева воздуха используя теплоту сгорания водорода в кислороде и содержащего камеру сгорания, корпус которой связан с магистралью подачи воздуха, внутренней охлаждаемой вставкой и камерой смешения, электросвечу, связанную со смесительным элементом, связанным с магистралями подвода водорода, кислорода и форсунками подачи водорода и кислорода, и суживающееся сопло, расположенное на выходе из камеры сгорания, при этом магистраль подачи воздуха состоит из четырех отверстий, расположенных под углом 40…60° к оси камеры сгорания, минимальная длина охлаждаемой внутренней вставки равна не менее 7 диаметрам камеры сгорания для предотвращения преждевременного смешения воздуха с высокотемпературными продуктами сгорания. При этом, оси форсунок подачи водорода расположены параллельно оси форсунки подачи кислорода, что обеспечивает более протяженную зону горения и снижение удельных тепловых потоков на стенки внутренней вставки. При этом внутренняя вставка выполнена оребренной с наружной стороны, что позволяет обеспечить ее более интенсивное охлаждение. Недостатком данной конструкции является отсутствие элементов, обеспечивающих более интенсивное перемешивание высокотемпературного и низкотемпературного потоков, что приведет к высокой неравномерности температуры перегретого пара. Кроме того, использование части перегреваемого пара для более интенсивного перемешивания потоков приведет к снижению эффективности охлаждения стенок камеры сгорания, что в совокупности с их близким расположением к зоне горения приведет к их прогару.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция водородно-кислородного пароперегревателя (RU 185454 U1), предназначенного перегрева низкотемпературного водяного пара путем сжигания водорода в кислороде, с надежным охлаждением камеры сгорания и интенсивным перемешиванием высокотемпературного и низкотемпературного потоков. При этом подача низкотемпературного пара на самом теплонапряженном участке внутренней вставки камеры сгорания осуществляется через магистраль подачи низкотемпературного пара, состоящую из четырех отверстий, расположенных под углом 30…60° к охлаждаемой стенке камеры сгорания, что обеспечивает ее интенсивное охлаждение. При этом начальная часть камеры сгорания выполнена с коническим расширением с углом 20…35°, позволяющим обеспечить удаление стенок камеры сгорания на расстояние не менее 3-х расстояний расположения форсунок водорода, что обеспечивает 1,5…2 кратное снижение их теплонапряженности. При этом, оси форсунок подачи водорода расположены параллельно оси форсунки подачи кислорода, что обеспечивает более протяженную зону горения и снижение удельных тепловых потоков на стенки внутренней вставки. При этом внутренняя вставка выполнена оребренной с наружной стороны, что позволяет обеспечить ее более интенсивное охлаждение. Недостатком данной конструкции является недостаточное охлаждение стенок камеры сгорания при существенном увеличении номинальной мощности водородного пароперегревателя. Предложенная конструкция обладает наибольшей эффективностью при мощностях от 5 до 1000 кВт, при переходе на мегаваттные уровни мощности тепловые потоки в камере сгорания значительно возрастают, что требует применения дополнительных способов охлаждения наиболее теплонапряженных участков.
Предложенная полезная модель решает техническую задачу перегрева низкотемпературного водяного пара путем сжигания водорода в кислороде, с надежным охлаждением камеры сгорания и высокой полнотой сгорания водорода для установок мегаваттного уровня мощности. Такое решение технической задачи возможно за счет того, что в огневом дне смесительного элемента расположены не менее 12 форсунок подачи низкотемпературного пара, обеспечивающие подачу не менее 20% от общего количества низкотемпературного пара, используемого для охлаждения. При этом угол наклона форсунок обеспечивает подачу низкотемпературного пара параллельно начальной части камеры сгорания, выполненной с коническим расширением с углом 20…35°. При этом форсунки подачи низкотемпературного пара расположены на окружности с диаметром равном не менее трех диаметров окружности, на которой расположены 8 форсунок подачи водорода, что в совокупности обеспечивает минимальное попадание низкотемпературного пара в зону горения и вследствие этого, более высокую полноту сгорания водорода.
Таким образом, предложенная конструкция водородного пароперегревателя мегаваттного уровня мощности позволяет обеспечить надежное охлаждение камеры сгорания и высокую полноту сгорания водорода для установок мегаваттного уровня мощности.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу тем, что водородный пароперегреватель мегаваттного уровня мощности, содержащий внешний корпус камеры сгорания, связанный с основной магистралью подачи низкотемпературного пара и внутренней охлаждаемой вставкой, выполненной с оребрением с внешней стороны и имеющей на начальном участке коническое расширение с углом 20…35° и смесительным элементом, связанным с электросвечой, магистралями подвода водорода, кислорода и форсунками подачи водорода и кислорода оси которых расположены параллельно друг другу, при этом корпус смесительного элемента, связан с дополнительной магистралью подачи низкотемпературного пара, обеспечивающей подачу 20% от его общего количества, на выходе которой имеются не менее 12 форсунок, оси которых параллельны оси начальной части камеры сгорания, выполненной с коническим расширением и расположены на окружности с диаметром равном не менее трех диаметров окружности, на которой расположены оси форсунок подачи водорода.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1. Водородный пароперегреватель мегаваттного уровня мощности включает в себя электросвечу 1, смесительный элемент 2 с магистралями подвода водорода 3, кислорода 4 и дополнительной магистралью подвода низкотемпературного пара 5 и форсунками подачи водорода 6, кислорода 7 и низкотемпературного пара 8, внешний корпус камеры сгорания 9 с основной магистралью подвода низкотемпературного пара 10 и внутреннюю охлаждаемую вставку камеры сгорания 11.
Водородный пароперегреватель мегаваттного уровня мощности работает следующим образом:
Кислород через магистраль подвода кислорода 4 поступает в смесительный элемент 2, где происходит его ионизация посредством электросвечи 1 и дальнейшее поступление в камеру сгорания через форсунку 7. Водород через магистраль 3 и форсунки 6 в количестве 8 штук, также поступает в камеру сгорания где происходит его смешение с ионизированным кислородом и последующее воспламенение. Около 20% низкотемпературного пара через дополнительную магистраль 5 по не менее, чем 12 форсункам 8 поступает на внутреннее охлаждение внутренней вставки камеры сгорания 11, а около 80% через основную магистраль 10 поступает на ее внешнее охлаждение. Далее после выхода из внутренней вставки низкотемпературный пар смешивается с высокотемпературным потоком продуктов сгорания, в результате чего происходит его перегрев до требуемой температуры.