Система циркуляції живильної води і пари паротурбінної установки

Винахід відноситься до енергетичної промисловості і може бути застосований на теплових і атомних електростанціях. Відома система підігріву живильної води паротурбінних установок, що включає каскад заснованих на використанні ентальпії пари підігрівників на ділянці між конденсатором і деаератором, так називані підігрівники низького тиску, і ще один аналогічний каскад на ділянці високого тиску води - підігрівники високого тиску. [Резников М.И., Липов Ю.П. Паровые котли тепловых электростанций. М: "Энергоиздат", 1981 — 240 с]. Її недоліком є значні втрати ентальпії пари паротурбінної установки, що відробила, сягаючих десятків відсотків від тепла, генеруємого в парогенераторі. Втрати визначаються, насамперед, тим, що основна частина тепла фазового переходу пари, що відробила, не використовується - вона губиться в конденсаторах турбін. При ентальпії пари, подаваємої в турбіну, 3410кДж/кг (коли її тиск 24МПа і температура 570°С), ентальпія пари, що надходить у конденсатор, тобто викидається практично в навколишнє середовище і не використовується для корисних цілей, складає 2555-2575кДж/кг. Найбільш близькою по сукупності ознак до заявляємого є система підігріву живильної води по патенту України №19578. Включення в цю систему, крім відомих дво х підігрівників живильної води - підігрівника низького тиску і підігрівника високого тиску, додаткового двоступінчастого підігрівника забезпечує суттєве зниження втрат тепла в рідинно-паровому циклі за рахунок зменшення частки пари, що конденсується, у конденсаторі. Цей додатковий двоступінчастий підігрівник забезпечує повернення в систему частини уже відпрацьованої пари разом з теплом фазового переходу з води в пар. Перший ступінь двоступінчастого підігрівника виконано у виді компресора, його усмоктувальний патрубок з'єднаний паропроводом з однієї з останніх ступіней турбіни, а елементи охолодження компресора підключені до трубопроводу живильної води перед підігрівниками низького тиску. Другий ступінь двоступінчастого підігрівника включає струминний апарат, підключений до трубопроводу живильної води за останнім підігрівником високого тиску. Робоче сопло цього струминного апарата виконано у виді сопла Лаваля, розміщене у форкамері, додатково встановленої перед змішувальною камерою струминного апарата. Форкамера з'єднана трубопроводом із системою відводу пари з турбіни на стиск, а змішувальна камера з'єднана з трубопроводом стиснутої в компресорі пари. До недоліків системи підігріву живильної води по патенту України №19578 відноситься включення насоса в другу ступінь підігріву: його експлуатація в умовах високотемпературної води зв'язана з активно протікаючими кавітаційними явищами на колесах насоса і внаслідок цього - зі швидким зносом цих коліс, що визначає суттєві складності в їхній експлуатації. Крім того, парорідинний потік, отриманий після компримирування пари і повернення його в систему циркуляції парорідинної суміші не розділяється на окремі фази - рідку і парову. Це приводить до складностей в експлуатації парогенератора. В основу винаходу поставлено завдання розробки системи циркуляції живильної води і пари паротурбінної установки, у якій за рахунок введення в систему додаткових конструктивних елементів і уточнення конструктивних параметрів ряду елементів забезпечується зниження витрати палива на теплових і атомних електростанціях. Для вирішення поставленого завдання в системі циркуляції живильної води і пари паротурбінної установки, що включає підігрівники низького і високого тиску і двоступінчастий підігрівник, перший ступінь якого виконано у виді компресора, усмоктуючий патрубок його з'єднаний паропроводом з одним з останніх ступеней турбіни, елементи охолодження підключені до трубопроводу живильної води перед підігрівниками низького тиску, др угий ступінь містить струминний апарат, підключений до трубопроводу живильної води за підігрівником високого тиску, робоче сопло струминного апарата виконано у виді сопла Лаваля, перед горловиною якого встановлений пристрій, що закручує, а вихідний отвір дифузора сопла Лаваля розміщено у форкамері, установленій перед змішувальною камерою струминного апарата, форкамера з'єднана трубопроводом із системою відводу пари з турбіни, змішувальна камера з'єднана з трубопроводом стиснутої пари, відповідно до винаходу вона додатково містить другий струминний апарат, встановлений у ви ході змішувальної камери першого струминного апарата, при цьому сопла Лаваля приєднані до трубопроводу високотемпературної рідини, змішувальна камера другого струминного апарата з'єднана з виходом першого струминного апарата і на виході другого стр уминного апарата встановлений сепаратор, патрубок для відводу води якого з'єднаний з парогенератором, а патрубок для відводу пари - з пароперегрівником. Сопла Лаваля струминних апаратів можуть бути виконані з кутами розкриття дифузорів 3...4° і довжиною дифузорів, обумовленою співвідношенням площ перетинів вихідних отворів дифузорів і горловин, рівним 8...10, а геометрична характеристика пристроїв, що закручують, знаходиться в межах 0,01...0,014. Вихідний отвір форкамер струминних апаратів можуть бути розташовані від перетину виходу парорідинної суміші з дифузорів сопл Лаваля на відстані І = (2-4)dдиф , де dдиф - діаметр перетину ви ходу парорідиної суміші з дифузорів сопел Лаваля, при цьому a dфор = d диф + I × tg 2 де dфор - діаметр вихідного отвору форкамери, a - кут розкриття дифузора. Установка додаткового струминного апарата забезпечує компримирування суміші і подачу в парогенератор і пароперегрівник відповідно живильної води і пари. Оснащення тракту транспортування парорідинної суміші сепаратором, що відокремлює воду від пари, забезпечує можливість подачі пари безпосередньо в пароперегрівник. Особливості конструкції сопла Лаваля, що стосуються кута розкриття його дифузорної частини і довжини цього дифузора, забезпечують найбільшу ефективність перетворення ентальпії високотемпературної рідини в кінетичну енергію струменя води на виході із сопла і, отже, максимальну ежектуючу здатність робочого потоку суміші пари і розпиленої рідини. Конструктивні особливості форкамери забезпечують достатню можливість для розгону до високих швидкостей парорідиної суміші, що линає із сопла Лаваля. На фіг.1 зображена схема пропонованої системи циркуляції живильної води і пари паротурбінної установки, на фіг.2 - сопло Лаваля, використане в системі, на фіг.3 - основні параметри конструктивного виконання форкамери. Пропонована система включає парогенератор 1 з пароперегрівником 2 і послідовно включені турбіну 3, конденсатор 4, підігрівники низького тиску 5, деаератор 6, водопідготовчу установку 7, підігрівники високого тиску 8. Вона містить також компресор 9 і струминний апарат, що складається із сопла Лаваля 10, форкамери 11 і змішувальної камери 12. Система містить також додатковий струминний апарат 13 і сепаратор 14 для поділу парорідинного потоку на потоки рідини і пари. Перед конфузором сопла Лаваля встановлений пристрій 15, що закручує потік , з дифузором 16. Система працює таким чином. Практично відробивший у турбіні пар при тиску, наприклад, близькому до 0,1МПа, приділяється минаючи конденсатор 4 у компресор 9. У компресорі пар стискується до тиску, приблизно рівного 3...4МПа. Для охолодження компресора використовується живильна вода - конденсат, що надходить з конденсатора. При цьому конденсат нагрівається, чим реалізується 1-ий ступень нагрівання живильної води. Вода потім надходить в існуючі підігрівники низького тиску і т.д. Кут розкриття дифузора сопла Лаваля 10 повинний знаходитися в межах 3...4°. При куті менше 3° частина вже диспергованої рідини коагулює в ди фузорній частині сопла і не забезпечується необхідна енергопередача від рідини до ежектуємої пари. При куті розкриття дифузора більше 4° погіршуються умови для перетворення ентальпії рідини в кінетичну енергію парорідинного потоку, тобто погіршуються показники роботи сопел Лаваля й у цілому струминного апарата. Перед конфузором сопла Лаваля встановлюється пристрій, що закручує потік 15 з геометричною характеристикою А, що знаходиться в межах 0,01-0,014. Диспергування струменя забезпечується, насамперед, за рахунок випаровування частин рідини, що здійснюється всередині її об'єму, саме в дифузорній частині сопла Лаваля. Випаровуванню рідини сприяє створення в струмені рідини ділянок з зниженим тиском. Для цього перед конфузором сопла Лаваля встановлено пристрій, що закручує. Закрутка у відцентрових розпилювачах визначається співвідношенням їх геометричних параметрів - числом, розмірами і розташуванням каналів, що підводять, до вихідного отвору (С.Б. Старк. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М., «Металлургия», 1977 г., с. 108-110). В сукупності ці параметри визначають геометричну характеристику А= 2Rdp/ndвн , де R - радіус камери, що закручує, розпилювача, dp - діаметр вихідного отвору розпилювача, n - число вхідних каналів, dвн - діаметр вхідних каналів. Геометрична характеристика відповідає куту розкриття факелу рідини за рахунок відцентрових сил на 1...2° меншому, чим кут розкриття дифузора 16 і в цілому факела. Найбільш несприятливі умови для розсіювання високотемпературної рідини створюються в осьовій частині факела, де потік щільніше, частина рідини не диспергована і крапельки рідини більші ніж на периферії потоку. Пристрій, що закручує потік, призначений для розпилювання щільної, насамперед осьової частини факела за рахунок додання потоку відцентрових сил. Якщо геометрична характеристика А буде менше 0,01, то погіршуються умови для розпилення в осьовій частині факела, рідина за рахунок цього погано диспергується і погіршується необхідна енергопередача. Якщо геометрична характеристика А більше 0,014, то великі краплі, при яких не забезпечується необхідна взаємодія середовищ, з'являються в периферійній частині факела. Довжина дифузора визначається співвідношенням площ перетинів: вихідного отвору ди фузора і горловини сопла. Це співвідношення повинне бути в межах від 8 до 10. Якщо воно менше 8, то кут розкриття факела зміниться на виході із сопла. При цьому зменшиться ефективна, ежектуюча швидкість факела рідини. Найбільш високе перетворення ентальпії рідини у швидкість руху парорідинного потоку забезпечується при величині цього відношення від 8 до 10. При збільшенні цього співвідношення до 12...13 воно не приростає, залишається стабільним і при максимальних значеннях викликає лише необхідність збільшення габаритів сопла Лаваля й у цілому всієї установки. Звідси і було обрано за раціональне відношення перетинів виходу і входу в ди фузор, рівне 8...10. Компримирування пари до тиску в пароперегрівнику забезпечується за рахунок часткового випару живильної води в ди фузорах сопел Лаваля, диспергування її і придання розпиленій рідині високих швидкостей руху в дифузорних частинах сопел Лаваля, у вихідних перетинів яких, тобто у форкамерах, за рахунок з'єднання їх із трубопроводом відводу пари, що відробила, з турбіни забезпечується знижений тиск пари. Поступаючий у змішувальну камеру 12 високошвидкісний потік ежектує пар, а за допомогою апарата 13 компримирує його до тиску в пароперегрівнику. Пропонована система, як випливає з викладеного, забезпечує повернення в парорідинний цикл частини уже відпрацьованої пари, без її конденсації в конденсаторі, тобто процесу, при якому несеться в навколишнє середовище більш 2000кДж із кожним кілограмом рідини. Цим скорочується витрата палива на електростанціях: - на теплових - на 5...10%; - на атомних - на 20...25%.