Паротурбинная установка

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в паротурбинных установках атомных электростанций (АЭС).
Источником пара для паротурбинной установки атомной электростанции является ядерная паропроизводительная установка (парогенератор). Современные турбины обычно состоят из нескольких цилиндров, в том числе цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и одного или нескольких цилиндров низкого давления. Каждый цилиндр может выполняться однопоточным или двухпоточным. Турбина, входящая в состав паротурбинной установки, приводит в действие турбогенератор, который предназначен для выработки переменного тока.
При проектировании паротурбинной установки уделяется большое внимание повышению КПД установки. Концевые уплотнения обеспечивают эксплуатационную надежность работы турбоустановки и оказывают влияние на ее экономичность. Концевые уплотнения турбины предназначены для предотвращения протечек пара в машинный зал из цилиндров турбины с давлением выше атмосферного, а также для предотвращения присосов воздуха в цилиндры турбины при наличии в них вакуума.
Известно изобретение «Паросиловая установка» (авторское свидетельство СССР № 1101566, F01K 13/02, опубл. 07.07.1984 г.), которое содержит цилиндры высокого, среднего и низкого давлений с камерами подвода пара к передним и задним концевым уплотнениям, подключенным к коллектору подвода (коллектору уплотнений), имеющему, по меньшей мере, два участка, разделенные задвижкой, и вакуумные камеры, снабженные линиями (трубопроводами) отвода пара и паровоздушной смеси. Установка снабжена, по меньшей мере, тремя дополнительными трубопроводами с размешенной на них запорно-регулирующей арматурой, два из которых сообщают первый участок коллектора соответственно с линиями отвода пара из вакуумных камер цилиндра высокого давления и с камерой переднего концевого уплотнения цилиндра среднего давления, а третий трубопровод сообщен со вторым участком коллектора и вакуумными камерами заднего концевого уплотнения. Указанное техническое решение не рационально использовать для турбоустановок АЭС в связи с большим количеством камер подвода уплотняющего пара для концевых уплотнений цилиндров высокого давления и цилиндров среднего давления и соответственно трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры. Также устройство коллектора отличается наличием участков с различным давлением, что требует дополнительной регулирующей арматуры. Давление в цилиндрах паротурбинных установок тепловых электростанций (ТЭС) значительно превосходит давление в цилиндрах паротурбинных установок АЭС, и для более рационального использования высокопотенциального пара в камерах концевых уплотнений турбин ТЭС требуется организация дополнительных камер уплотнений, что не целесообразно для концевых уплотнений турбин АЭС.
Известно техническое решение «Установка с паровыми турбинными модулями оптимизированной эффективности» (заявка РФ № 2012141598, МПК F02C 6/00, дата публикации 27.04.2014). Установка включает паровой турбинный модуль высокого давления (цилиндр высокого давления), паровой турбинный модуль среднего давления (цилиндр среднего давления) и, по меньшей мере, один паровой турбинный модуль низкого давления (цилиндр низкого давления), уплотнительные устройства (концевые уплотнения), расположенные между вращающимся валом турбины (ротором турбины) и соответствующими корпусами турбинных модулей высокого, среднего и низкого давлениий. В корпусе турбинного модуля высокого давления расположена первая сборная камера для сбора утечек пара, выходящих из указанного модуля через его уплотнительные устройства при давлениях выше атмосферного. В корпусе турбинного модуля низкого давления размещены инжекционные камеры (камеры подвода), соединенные первым контуром (коллектором уплотнений) с первой сборной камерой так, что пар передается из первой сборной камеры по направлению к инжекционным камерам и затем в турбинный модуль низкого давления посредством утечек через его уплотнительные устройства. Вторая сборная камера расположена в корпусе турбинного модуля среднего давления с целью сбора утечек пара, выходящих из указанного модуля через его уплотнительные устройства при давлении выше атмосферного, и передачи указанных утечек по первому контуру (коллектору уплотнений) в направлении указанных выше инжекционных камер. Первый контур (коллектор уплотнений) включает в себя средство регулирования давления (редуктор), поддерживающее давление в данном контуре на уровне выше атмосферного.
Недостатком такого решения является передача утечки пара из первой сборной камеры в первый контур (коллектор уплотнений), таким образом, указанная утечка не участвует в паровом цикле. Кроме того, суммарного расхода пара, направляемого в первый контур из сборных камер турбинного модуля высокого давления и турбинного модуля среднего давления, недостаточно для поддержания давления в первом контуре и соответственно обеспечения постоянной подачи пара в инжекционные камеры турбинного модуля низкого давления, т.е. не обеспечивается предотвращение проникновения воздуха в турбинный модуль низкого давления. Поэтому для обеспечения давления в первом контуре (коллекторе уплотнений) на всех режимах работы турбины требуется дополнительная подача свежего (высокопотенциального) пара из парогенератора через редуктор, что термодинамически не оправдано, так как утилизация высокопотенциального пара приводит к снижению экономичности установки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является изобретение «Паротурбинная установка, турбоустановка и способ работы турбоустановки» (патент US 8650878; МПК F01D 11/06; дата публикации 18.02.2014). Согласно изобретению турбоустановка содержит цилиндр высокого давления, присоединенный к цилиндру среднего давления и цилиндру низкого давления; коллектор уплотнений, предназначенный для подачи уплотняющего пара с постоянным давлением по трубопроводам к камерам подвода пара переднего и заднего концевых уплотнений цилиндра низкого давления и сообщающийся с конденсатором для сброса первого расхода пара; первая камера отвода пара переднего концевого уплотнения цилиндра высокого давления, предназначенная для сбора протечек пара из цилиндра высокого давления, сообщается трубопроводом с цилиндром среднего давления; вторая камера отвода пара, расположенная за первой камерой отвода пара переднего концевого уплотнения цилиндра высокого давления, соединена трубопроводом с коллектором уплотнений; камера отвода пара заднего концевого уплотнения цилиндра среднего давления соединена трубопроводом с коллектором уплотнений; клапан, расположенный на трубопроводе отвода протечки от первой камеры переднего концевого уплотнения цилиндра высокого давления и предназначенный для регулирования расхода протечки пара в коллектор уплотнений из второй камеры переднего концевого уплотнения; регулятор для управления работой клапана.
Основным источником питания коллектора уплотнений является протечка из переднего концевого уплотнения цилиндра высокого давления. При достижении режима самоуплотнения турбины (режим работы турбоустановки - 90%) регулирующий клапан на трубопроводе протечки из первой камеры уплотнений цилиндра высокого давления полностью открыт. На данных режимах 90% расхода пара используются для питания коллектора уплотнений, остальные 10% протечки сбрасываются в конденсатор и не участвуют в выработке электроэнергии в турбине. На частичных режимах работы турбоустановки (менее 90%) с помощью указанного выше клапана путем его прикрытия увеличивают расход протечки пара, направляющейся к коллектору уплотнений из второй камеры переднего уплотнения цилиндра высокого давления.
Недостатками данного решения являются:
в техническом решении отсутствует сторонний источник пара для коллектора уплотнений, в связи с чем для достижения режима самоуплотнения требуется организовать сравнительно большую величину протечки пара через переднее концевое уплотнение цилиндра высокого давления. Указанная протечка пара направляется в коллектор уплотнения и далее в выработке электроэнергии не участвует;
в случае применения данного технического решения для паротурбинных установок АЭС влажность пара за цилиндром высокого давления будет составлять более 10%, а с учетом дросселирования в переднем концевом уплотнении температура пара снизится до 100°С, что не удовлетворительно для использования его в качестве уплотняющего пара цилиндра низкого давления. Влага, содержащаяся в паре, вызывает значительный эрозионный износ регулирующей и запорной арматуры, деталей уплотнений турбины, вызывает гидроудары в трубопроводах уплотнений, поэтому низкая температура пара снижает надежность работы концевых уплотнений цилиндра низкого давления;
на номинальном режиме работы паротурбинной установки часть протечки не используется в качестве уплотняющего пара для концевых уплотнений цилиндра низкого давления, а сбрасывается из коллектора уплотнений в конденсатор (10%) и не участвует в выработке электроэнергии, что ведет к потере экономичности;
положительный эффект известного изобретения определен в сравнении со схемами протечек, в которых 70% расхода пара, подаваемого в коллектор уплотнений, сбрасывается в конденсатор. Данное сравнение не корректно, так как в реализованных схемах работы уплотнений пар протечек направляется в регенеративные подогреватели. Таким образом заявленный экономический эффект известного изобретения не подтверждается применяемыми схемами.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении КПД и надежности паротурбинной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что паротурбинная установка содержит турбину, состоящую из совмещенного цилиндра, имеющего часть высокого давления и часть среднего давления, с камерами отвода пара переднего и заднего концевых уплотнений, соединенного, по меньшей мере, с одним цилиндром низкого давления с камерами подвода пара переднего и заднего концевых уплотнений, коллектор уплотнений и деаэратор. Деаэратор сообщается с частью высокого давления и через регулирующий клапан - с коллектором уплотнений. Первая камера отвода пара переднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра, предназначенная для сбора протечек пара из части высокого давления, сообщается с трубопроводом отбора пара из части среднего давления. Вторая камера отвода пара переднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра, расположенная за первой камерой отвода пара, и камера отвода пара заднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра сообщаются с коллектором уплотнений. Коллектор уплотнений сообщается с камерами подвода пара переднего и заднего концевых уплотнений цилиндра низкого давления.
В предложенном техническом решении части высокого и среднего давления турбины совмещены в одном цилиндре (корпусе). Данное решение отличается от традиционного исполнения турбин АЭС большой мощности на насыщенном паре, в которых цилиндры высокого и низкого давления выполняются отдельными двухпоточной конструкции, и не предполагают отдельную часть или цилиндр среднего давления. В предложенной турбине совмещенный цилиндр включает в себя часть высокого давления однопоточной конструкции, размещенную в левом потоке, и часть среднего давления также однопоточной конструкции, размещенную в правом потоке цилиндра. Переход к однопоточной конструкции цилиндра позволяет разместить в одном цилиндре проточную часть высокого давления и проточную часть среднего давления и повысить экономичность турбоустановки в целом, снизить габариты турбины и металлоемкость турбины.
Предложенное техническое решение позволяет сохранить часть протечки пара из части высокого давления совмещенного цилиндра, которая направляется из первой камеры отвода пара переднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра в трубопровод отбора пара из части среднего давления совмещенного цилиндра. Данная протечка позволяет сохранить часть отборного пара, направляемого из части среднего давления в систему регенерации, для выработки электроэнергии в цилиндре низкого давления.
Применительно к паротурбинным установкам АЭС на насыщенном паре использование в качестве источника питания коллектора уплотнений протечки пара концевого уплотнения цилиндра высокого давления не удовлетворительно из-за большой влажности и низкой температуры пара. В связи с чем традиционно в турбоустановках АЭС питание коллектора уплотнений производят дросселированным свежим паром от парогенератора. В предложенном техническом решении в качестве источника пара на номинальном режиме для коллектора уплотнений используется деаэратор. Данное решение позволяет сохранить высокопотенциальный пар,направляемый в турбину для выработки электроэнергии, что повышает экономичность (КПД) турбоустановки.
На трубопроводе подвода пара к коллектору уплотнений от деаэратора установлен регулирующий клапан, предназначенный для поддержания постоянного давления в коллекторе уплотнений чуть выше атмосферного. Данный клапан позволяет отказаться от наличия множества отдельных регуляторов давления на трубопроводах подвода пара к камерам переднего и заднего концевых уплотнений цилиндра низкого давления, что упрощает схему и повышает ее надежность.
На чертеже представлена принципиальная схема паротурбинной установки.
Источником пара для паротурбинной установки является парогенератор 1. Паротурбинная установка содержит турбину, включающую совмещенный цилиндр, состоящий из однопоточной части высокого давления (ЧВД) 2 и однопоточной части среднего давления (ЧСД) 3, а также двухпоточного цилиндра низкого давления (ЦНД) 4. Парогенератор 1 сообщается трубопроводом 5 с ЧВД 2, ЧВД 2 соединен трубопроводом 6 с ЧСД 3 через сепаратор-пароперегреватель 7. Сепаратор-пароперегреватель 7 традиционно применяют для паротурбинных установок АЭС с целью удаления влаги из пара и перегрева пара. ЧСД 3 трубопроводом 8 сообщается с ЦНД 4. Турбина соединена с турбогенератором 9.
Цилиндры имеют переднее и заднее концевые уплотнения. Задним считается концевое уплотнение цилиндра, расположенное со стороны турбогенератора (в рассматриваемом примере турбогенератора 9), передним - на противоположной стороне цилиндра.
Традиционно концевое уплотнение любого цилиндра состоит из нескольких лабиринтных отсеков, разделенных камерами, через которые подводится уплотняющий пар или отводится уплотняющая среда. Схема концевых уплотнений проектируется в соответствии с основными принципами проектирования и требованиями надежности (см., например, «Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров», Проектирование и расчет. РТМ 108.020.33-86. Подписано к печати 21.09.1988; Жирицкий Г.С. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых турбин, Гоэнергоиздат, 1955, с. 219-222; Трухний А.Д., Лосев С.М. Стационарные паровые турбины. М.: Энергоиздат, 1981, с. 104-106).
Камеры отвода пара переднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра подразделяются на первую камеру 10 отвода пара, предназначенную для сбора протечек пара из ЧВД 2, и вторую камеру 11 отвода пара, расположенную за первой камерой 10 отвода пара, предназначенную для сбора протечек пара из первой камеры 10. Первая камера 10 отвода пара сообщается трубопроводом 12 с трубопроводом 13 отбора пара из ЧСД 3, направляемого из части среднего давления в систему регенерации.
Камера 14 отвода пара заднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра предназначена для сбора протечек пара из ЧСД 3. Камера 11 отвода пара переднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра и камера 14 отвода пара заднего концевого уплотнения совмещенного цилиндра сообщаются с коллектором уплотнений 15 трубопроводами 16 и 17 соответственно.
Камеры 18 подвода пара переднего и заднего концевых уплотнений ЦНД 4 соединены с коллектором уплотнений 15 трубопроводами 19 с целью предотвращения попадания воздуха из атмосферы машинного зала в ЦНД 4.
Деаэратор 20 сообщается с коллектором 15 трубопроводом 21, на котором установлен регулирующий клапан 22. Регулирующий клапан 22 предназначен для дросселирования пара и поддержания постоянного давления чуть выше атмосферного в коллекторе уплотнений 15. Деаэратор 20 сообщается с ЧВД 2 трубопроводом 23.
Вакуумные камеры 24, являющиеся последними по ходу протечек пара камер передних и задних концевых уплотнений совмещенного цилиндра и цилиндра низкого давления, соединены трубопроводами 25 с конденсатором пара уплотнений 26. Конденсатор пара уплотнений 26 предназначен для принятия паровоздушной смеси от вакуумных камер 24 за счет созданного в нем разрежения.
В паротурбинных установках АЭС вакуумные камеры концевых уплотнений цилиндров традиционно располагаются последними и предназначены для предотвращения попадания воздуха из атмосферы в цилиндры турбины, а также удаления паровоздушной смеси, образованной смешением протечек пара из уплотнений и протечек воздуха из атмосферы машинного зала.
При работе паротурбинной установки на номинальном режиме свежий пар с давлением, например, около 6,8 МПа, и температурой около 284°С, от парогенератора 1 направляется по трубопроводу 5 в ЧВД 2 совмещенного цилиндра. алее пар, выходящий из ЧВД 2 с влажностью не менее 10%, направляется по трубопроводу 6 в ЧСД 3 через сепаратор-пароперегреватель 7, который сепарирует влагу из пара и подогревает пар до температуры не менее 270°С. Далее пар, выходящий из ЧСД 3 по трубопроводу 8, поступает в ЦНД 4. Пар приводит во вращение валопровод турбины, который передает вращение на вал турбогенератора 9 с целью выработки электроэнергии.
Для предотвращения попадания воздуха из атмосферы машинного зала в ЦНД 4 в камеры подвода 18 переднего и заднего концевых уплотнений ЦНД 4 по трубопроводам 19 от коллектора уплотнений 15 поступает уплотняющий пар. Направление движения протечек пара и воздуха в камеры уплотнений обозначены стрелками на фиг. В коллектор уплотнений 15 пар подводится из камер 11 и 14 отвода пара переднего и заднего концевых уплотнений совмещенного цилиндра соответственно, а регулирующий клапан 22 поддерживает постоянное давление около 0,12 МПа в коллекторе уплотнений 15, в который по трубопроводу 21 поступает пар от деаэратора 20. В деаэратор 20 пар поступает из ЧВД 2 по трубопроводу 23.
Паровоздушная смесь из вакуумных камер 24 отводится по трубопроводам 25 в конденсатор пара уплотнений 26, в котором поддерживается давление ниже атмосферного (около 0,095 МПа).
Таким образом, суммарного расхода пара, подаваемого в коллектор уплотнений 15, будет достаточно для подачи пара в камеры 18 подвода пара концевых уплотнений ЦНД 4 с целью предотвращения попадания воздуха, а температура уплотняющего пара в камеры 18 подвода пара будет составлять не менее 120°С, что обеспечивает отсутствие влаги в паре и как следствие надежную работу уплотнений. Тем самым, направление части протечки пара из первой камеры 10 в трубопровод 13 отбора пара из ЧСД 3 позволяет сохранить часть отборного пара, направляемого из ЧСД 3 в систему регенерации, для выработки электроэнергии в ЦНД 4.
В предложенном техническом решении в качестве источника пара на номинальном режиме для коллектора уплотнений используется деаэратор. Данное решение позволяет сохранить высокопотенциальный пар, направляемый в турбину для выработки электроэнергии, что повышает расчетное значение КПД паротурбинной установки более чем на 0,1%.