способ работы струйной конденсационной установки паровой турбины (варианты) и струйная установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы струйной конденсационной установки паровой турбины, включающий конденсацию пара после выхода его из лопаток рабочего колеса, отличающийся тем, что за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины в поток отходящего пара подают жидкую конденсирующую среду и формируют двухфазный газожидкостной поток с переводом потока на сверхзвуковой режим течения, затем организуют торможение потока с организацией скачка давления и конденсацией в скачке давления отводимого из рабочего колеса пара турбины, после чего смесь конденсата пара и жидкой конденсирующей среды отводят из турбины.

2. Способ работы струйной конденсационной установки паровой турбины, включающий конденсацию пара после выхода его из лопаток рабочего колеса, отличающийся тем, что за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины в поток отходящего пара подают с помощью сопла жидкую конденсирующую среду и формируют двухфазный газожидкостной поток с переводом потока на сверхзвуковой режим течения, затем организуют торможение потока с организацией скачка давления и конденсацией в скачке давления пара, отводимого из рабочего колеса турбины, после чего смесь конденсата пара и жидкой конденсирующей среды отводят из турбины, при этом в пространстве за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины формируют зону пониженного давления с величиной давления в этой зоне ниже давления насыщенных паров жидкой конденсирующей среды и температурой ниже температуры конденсата пара, полученного в процессе смешения пара и жидкой конденсирующей среды за выходным сечением сопла.

3. Струйная конденсационная установка, содержащая конденсатор, подключе6нный к выходу пара турбины, отличающаяся тем, что конденсатор выполнен в выхлопном патрубке турбины в виде сопла или группы сопел подвода жидкой конденсирующей среды, установленного или установленных в патрубке за выходным сечением лопаток турбины.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в выхлопном патрубке отвода пара турбины за выходным сечением сопла или сопел установлена камера смешения или соответствующие каждому соплу камеры смешения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным конденсационным установкам, используемым в паровых турбинах.

Известен способ работы струйной конденсационной установки, включающий отвод пара из турбины, подачу пара в конденсатор смешения с конденсацией в последнем пара и отвод конденсата с формированием замкнутого промежуточного контура охлаждения конденсата и охлаждением конденсата в сухой градирне (см. , например статью Будняцкого Д. М. и др. Технико-экономические предпосылки для применения воздушно-конденсационных установок Геллера в энергетике СССР. Журнал "Теплоэнергетика", 1969, N 11).

В этой же статье описана и установка для конденсации пара паровой турбины, содержащая конденсатор смешения, установленный за паровой турбиной и сухую градирню с организацией замкнутого контура охлаждения конденсата.

Эта схема используется в районах, где отсутствуют источники водоснабжения и необходимо свести к минимуму потери воды при работе паровой турбины, однако при реализации указанного выше технического решения необходимы большие капитальные затраты.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы струйной конденсационной установки паровой турбины, включающий конденсацию пара после выхода его из лопаток рабочего колеса (см. книгу Общая теплотехника. /Под редакцией Корницкого С.Я.. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952, с. 320-322).

В этой же книге описана конденсационная установка, содержащая конденсатор, подключенный к выходу пара турбины.

В данных, указанных выше, способе работы и установке, его реализующей, конденсатор устанавливают непосредственно за выходным сечением выхлопного патрубка паровой турбины, что позволяет сделать более компактную энергоустановку, проводить конденсацию пара сразу на выходе его из турбины и за счет этого уменьшить капитальные затраты, однако, это не позволяет уменьшить габариты самой паровой турбины и, в первую очередь, одной из его наиболее габаритных деталей - выхлопного патрубка, чаще всего выполняемого в виде улиточного диффузора.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение КПД турбины, за счет интенсификации процесса конденсации пара и уменьшение материалоемкости паровой турбины за счет сокращения габаритов паровой турбины.

Указанная задача, в части способа работы, как объекта изобретения, заключается в том, что в способе работы струйной конденсационной установки паровой турбины, включающем конденсацию пара после выхода его из лопаток рабочего колеса, за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины, в поток отходящего пара подают жидкую конденсирующую среду и сформируют двухфазный газожидкостной поток с переводом потока на сверхзвуковой режим течения, затем организуют торможение потока с организацией скачка давления и конденсацией в скачке давления отводимого из рабочего колеса пара турбины, после чего смесь конденсата пара и конденсирующей жидкости отводят из турбины.

Другой вариант способа работы струйной конденсационной установки отличается от выше описанного тем, что в пространстве за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины формируют зону пониженного давления с величиной давления в зоне ниже давления насыщенных паров жидкой конденсирующей среды и температурой ниже температуры конденсата пара, полученного в процессе смешения пара и конденсирующей жидкости за выходным сечением сопла.

В части устройства, как объекта изобретения, задача решается за счет того, что струйная конденсационная установка, содержащая конденсатор, подключенный к выходу пара турбины, выполнен в выхлопном патрубке турбины в виде сопла или группы сопел подвода конденсирующей жидкости, установленного или установленных в выхлопном патрубке за выходным сечением лопаток турбины.

В выхлопном патрубке отвода пара турбины за выходным сечением сопла или сопел может быть установлена камера смешения или соответствующие каждому соплу камеры смешения.

Как показали проведенные исследования, организация процесса конденсации пара паровой турбины оказывает существенное влияние как на КПД паровой турбины, так и на габариты паровой турбины и всей энергоустановки в целом. Речь идет о следующем. Для получения максимального КПД превращения тепловой энергии в механическую необходимо достижение минимального нижнего предела температуры. Так как давлению водяного пара 1 ата соответствует температура насыщения около 100^oC, то уменьшение нижней температуры цикла требует создания за турбиной разрежения (вакуума). Эту задачу выполняет конденсационная установка. Кроме того конденсационная установка позволяет получать конденсат рабочего пара для питания котлов.

Режим истечения пара из рабочего колеса турбины требует установки на выходе турбины выхлопного патрубка, выполняемого, как правило, в виде улиточного диффузора, что позволяет понизить скорость пара на входе в конденсатор. Расположение сопла или сопел непосредственно за выходным сечением рабочего колеса в выхлопном патрубке паровой турбины позволяет организовать эффективный процесс смешения пара и жидкой конденсирующей среды, как правило воды, при этом кинетическая энергия пара, которая раньше мешала организации процесса конденсации, теперь помогает повысить эффективность этого процесса. При подаче воды из сопел, установленных непосредственно за выходным сечением лопаток выходного рабочего колеса последней ступени турбины, она в процессе смешения с выходящим из турбины паром дополнительно ускоряется, причем разность скоростей способствует более эффективному диспергированию воды в объеме пара за счет соударения капелек воды с паровым потоком. Одновременно с процессом выравнивания скоростей пара идет интенсивный процесс конденсации пара на центрах конденсации, которыми являются капельки воды. При этом, за счет кинетической энергии пара, в процессе смешения пара и капелек воды двухфазный поток переходит на сверхзвуковой режим течения, а в потоке, по мере конденсации пара и увеличения доли жидкости в двухфазном парожидкостном потоке, происходит скачок давления с переходом потока на дозвуковой режим течения, причем в скачке давления значительно интенсифицируется процесс конденсации пара. Интенсивная конденсация пара за выходным сечением последней ступени паровой турбины позволяет создать на выходе из турбины вакуум и понизить температуру рабочей среды ниже температуры конденсата, что в конечном итоге позволяет добиться повышения КПД турбины и, за счет уменьшения габаритов выхлопного патрубка и совмещения функций выхлопного патрубка и конденсатора смешения, значительно сократить габариты турбины и всей энергоустановки.

Дополнительные возможности по интенсификации процесса конденсации пара и регулированию скоростных характеристик потока конденсата на выходе из турбины дает размещение камеры смешения или камер смешения, в зависимости от конструкции конденсатора за выходным сечением сопел. Установка камер смешения может сделать процесс конденсации пара полностью регулируемым, причем достигается возможность регулировать и организовывать процессы перехода двухфазного пароводяного потока на сверхзвуковой режим течения и конденсации пара в скачке давления, добиваясь при этом требуемого в каждом конкретном случае режима истечения конденсата из паровой турбины. Более того, это позволяет значительно упростить конструкцию выхлопного патрубка, поскольку он в этом случае играет роль корпуса конденсатора, в котором размещена профилированная проточная часть (сопла и камеры смешения). Упрощается проведение регламентных и ремонтных работ, поскольку сопла и камеры смешения можно менять без замены самого выхлопного патрубка. Можно также, путем замены сопел и/или камер смешения менять, в зависимости от сложившейся ситуации режим работы конденсатора, поддерживая при этом максимально возможный КПД его работы, а следовательно, и всей энергоустановки в целом.

Таким образом, путем использования описанных выше процессов удалось добиться выполнения поставленной в изобретении задачи - повышение КПД турбины за счет интенсификации процесса конденсации пара и уменьшение материалоемкости паровой турбины за счет сокращения габаритов паровой турбины.

На фиг. 1 схематически представлена струйная конденсационная установка; на фиг. 2 представлен вариант выполнения установки с несколькими соплами и с камерами смешения.

Струйная конденсационная установка содержит выхлопной патрубок 1 паровой турбины и установленное в выхлопном патрубке 1 сопло 2. Струйная конденсационная установка может быть выполнена многосопловой, причем за выходным сечением сопел 3 в выхлопном патрубке 1 могут быть установлены камеры 4 смешения (камера смешения может быть установлена и в односопловом варианте выполнения струйного конденсатора, кроме того сам выхлопной патрубок 1 может быть спрофилирован необходимым образом для улучшения процесса смешения воды и пара)

Способы работы струйной конденсационной установки паровой турбины реализуются следующим образом.

Жидкая конденсирующая среда, например вода из сопла 2 или из сопел 3 подается в направлении, близком к направлению движения парового потока, она ускоряется при смешении с паром и одновременно на капельках воды идет процесс интенсивной конденсации пара. В зависимости от конструкции процесс конденсации может проходить как в выхлопном патрубке 1, так и в камерах 4 смешения (или в камере смешения - не показано). За счет отвода пара от выходного сечения последней ступени турбины и интенсивной конденсации пара с соответствующим уменьшением его объема за выходным сечением рабочего колеса последней ступени турбины создают зону пониженного давления (вакуума), а температуру рабочей среды турбины понижают до температуры конденсата.

Возможен и другой вариант реализации способа работы струйной конденсационной установки паровой турбины, при котором в пространстве за выходным сечением лопаток рабочего колеса турбины, формируют зону пониженного давления с величиной давления в зоне ниже давления насыщенных паров жидкой конденсирующей среды и температурой ниже температуры конденсата пара, который получают в процессе смешения пара с конденсирующей жидкостью за выходным сечением сопла 2 или сопел 3. Данный вариант реализации способа работы струйной конденсационной установки паровой турбины позволяет дополнительно повысить КПД паровой турбины за счет указанного выше понижения температуры за выходным сечением лопаток турбины ниже температуры конденсата.

Наиболее предпочтительный вариант работы струйного конденсатора включает, после подачи воды из сопла 2 или сопел 3, формирование двухфазного газожидкостного (парожидкостного) потока с переводом потока, за счет резкого снижения скорости звука в нем, на сверхзвуковой режим течения. Затем путем торможения потока и за счет увеличения жидкой фазы в двухфазном потоке (за счет конденсации пара) организуют скачок давления и в скачке давления интенсивно конденсируют газообразную составляющую двухфазного потока, после чего по существу жидкостной поток, представляющий собой смесь подаваемой в конденсатор воды (конденсирующая среда) и конденсата пара, отводят из паровой турбины.

Конденсацию пара, организацию сверхзвукового режима течения и торможение потока с организацией скачка давления предпочтительно проводить (хотя и не обязательно) в специальным образом спрофилированных камерах 4 смешения. Обычно камеры 4 смешения выполняют с входным сужающимся участком, цилиндрической горловиной, и выходным расширяющимся участком.

Выходящая из конденсатора вода имеет объем, приблизительно, в 1000 раз меньше объема пара. Это позволяет, например разместить четыре выхлопа турбины в одном корпусе без промежуточных подшипников. В результате осевые размеры выхлопных патрубков 1 оказываются минимальными, что позволяет принципиально улучшить конструкцию турбины, повысить ее единичную мощность. Отсутствие конденсатора под турбиной позволяет резко снизить отметку обслуживания турбины и в целом сократить габариты машинного зала.

Турбина ЛМЗ мощностью 1000000 кВт для атомной электростанции имеет исходную длину 50 м. При выполнении струйного конденсатора в выхлопных патрубках и объединении цилиндров низкого давления ее длина уменьшается в 1,5 раза. Примерно в такой же степени уменьшается отметка обслуживания турбины и высота машинного зала.

Данное техническое решение может быть использовано в любых электростанциях, где используются паровые турбины для получения механической энергии с последующей выработкой электроэнергии.