Регенеративный подогреватель питательной воды эжекторного типа

 

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: активное водяное кольцевое сопло охватывает активные водяные сопла. Камера смешения с патрубком подвода разделена на секции для подвода конденсируемых потоков пара разных параметров. В камере смешения стенки секций выполнена в виде полых воронкообразных диафрагм, сужающихся по направлению к выходу из подогревателя и ориентированных по направлению потока. Выходной участок диафрагм выполнен в виде вспомогательных активных водяных кольцевых сопл. Внутренний диаметр диафрагм в зоне их выходного сечения определяют из заданного соотношения. Направляющее устройство установлено в секции и выполнено в виде пакета из воронкообразных насадок с эластичными наконечниками на конце. Внутренний диаметр выходного сечения насадок не превышает внутреннего диаметра выходного сечения расположенной за пакетом диафрагмы. В выходной части основного сопла установлены лопатки под углом к оси сопла. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к паротурбостроению и может быть использовано в теплотехнике.

Известен многоструйный конденсатор, в котором охлаждающая вода, подаваемая отдельным насосом, вытекает из сопл с большой скоростью сплошными дискретными струями. В приемной камере устанавливаются промежуточные конусы, образующие множество каналов, через которые в камеру смешения поступает отработавший пар. Пар, соприкасаясь с поверхностями струй, конденсируется, а воздух и другие неконденсирующиеся газы увлекаются с помощью трения о наружные поверхности струй. После этого струи нагретой воды с увлекаемым ими воздухом поступают в диффузор. Работа эжекторного конденсатора тем эффективнее, чем больше отношение периметра каждой струи к площади ее поперечного сечения и чем меньше диаметр струи. Однако, увеличение числа струй целесообразно только до известного предела, так как с уменьшением диаметра сопл возрастают потери в них. Достоинства эжекторного конденсатора - компактность, простота устройства.

Данное известное техническое решение обладает следующими недостатками: ограниченность применения - пригодность для конденсации только одного потока отработавшего пара из-за невозможности создания вокруг дискретных струй воды герметичных секций для потоков пара с разными параметрами; в случае же подачи в такой конденсатор через соответствующие каналы потоков пара с разными параметрами в камере смещения последнего установилось бы какое-то осредненное для всех потоков пара давление, что привело бы к отключению регенеративных отборов, имеющих давления меньшие, чем указанное осредненное давление; большие гидравлические потери вследствие установки по центру конденсатора вытеснителя, о который трутся струи воды, а также вследствие установки большого количества промежуточных конусов; как показали опыты при работе на холодной воде оптимальной является установка трех промежуточных конусов для одного потока пара; не предусмотрены меры для поддержания стабильности работы устройства на частичных и переходных режимах.

Известен многоструйный инжектор-конденсатор паротурбинной установки, содержащий центральное активное паровое сопло, конфузорную камеру смещения и периферийные сопла для подвода пассивной среды, площадь каждого из которых составляет 0,0265. . . 0,0275 площади выходного сечения активного сопла, при этом камера смешения имеет длину, равную 6,15. . . 6,3 ее эквивалентным диаметрам.

Данное известное техническое решение обладает следующими недостатками: ограниченность применения - пригодность для конденсации только одного потока насыщенного пара; не предусмотрены меры для поддержания стабильности работы устройства на частичных и переходных режимах.

Известен многоструйный эжекторный конденсатор, содержащий активное сопло греющего пара, активные водяные сопла, камеру смещения с патрубком подвода конденсируемого пара и диффузор.

Конденсатор обладает следующими недостатками: ограниченность применения - непригодность для конденсации одновременно нескольких потоков пара из отборов паровой турбины, имеющих разные давления и разные степени перегрева; не предусмотрены меры для поддержания стабильности работы устройства на частичных и переходных режимах.

Цель изобретения - увеличение эффективности регенеративного подогрева питательной воды паротурбинной установки.

Это достигается тем, что регенеративный подогреватель питательной воды эжекторного типа, содержащий активное сопло греющего пара, активные водяные сопла, камеру смещения с патрубком подвода конденсируемого пара и диффузор, снабжен активным водяным кольцевым соплом, охватывающим активные водяные сопла, а камера смещения с патрубком подвода разделены по меньшей мере на две секции для подвода конденсируемых потоков пара разных параметров, при этом в камере смещения стенки секций выполнены в виде полых воронкообразных диафрагм, сужающихся по направлению к выходу из подогревателя и ориентированных по направлению потока, а выходной участок воронкообразных диафрагм выполнен в виде вспомогательных активных водяных кольцевых сопл и внутренний диаметр диафрагм в зоне их выходного сечения определяется из математического выражения D_gi= D₀+d_ро-2l - tg, где D_gi - внутренний диаметр i-й диафрагмы в ее выходном сечении, м; D_o - средний диаметр основного активного водяного кольцевого сопла в его выходном сечении, м; d₃ - внутренний диаметр цилиндрического участка камеры смешения, м; l_ci - расстояние между срезами основного и i-го вспомогательного активного кольцевого водяного сопла, м; L - расстояние от среза основного водяного кольцевого сопла до середины цилиндрического участка камеры смешения, м; Р_р - давление рабочей воды перед основным кольцевым водяным соплом, Па; Р_н.п. - наименьшее давление инжектируемого пара, например из последнего отбора турбины, Па; d_ро - калибр основного водяного кольцевого сопла, м; d_ро = , где f_ро - площадь выходного сечения основного кольцевого водяного сопла, м₂; подогреватель снабжен по меньшей мере одним направляющим устройством, установленным в виде пакета, по крайней мере из двух воронкообразных насадок с эластичными наконечниками на конце, при этом внутренний диаметр выходного сечения насадок не превышает внутренего диаметра выходного сечения расположенной за пакетом диафрагмы; основное водяное кольцевое сопло в его выходной части снабжено лопатками, установленными под углом к оси сопла.

На фиг. 1 изображен предлагаемый подогреватель; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - схема взаимосвязи основных геометрических параметров регенеративного подогревателя.

Регенеративный подогреватель содержит корпус 1, водяную камеру 2, камеру 3 смешения, многосекционный патрубок 4 подвода конденсируемых потоков пара разных параметров, активное сопло 5 греющего пара, активные водяные сопла 6, расположенные по окружности вокруг сопла 5, основное активное водяное кольцевое сопло 7 с лопатками 8, полые воронкообразные диафрагмы 9 с патрубками 10 и выходными участками 11, переходящими во вспомогательные активные водяные кольцевые сопла 12, направляющие устройства, выполненные в виде пакета из воронкообразных насадок 13 с эластичными наконечниками 14, камеру 15 смещения цилиндрического типа с конфузорным входом и диффузор 16.

Сопло 7 снабжено лопатками 8, установленными под углом к оси.

Пакет из воронкообразных насадок 13 с эластичными наконечниками 14 при помощи шпилек 17 и промежуточных втулок 18 крепится к диафрагме 9.

На фиг. 4 показана схема взаимосвязи основных геометрических параметров регенеритвного подогревателя. Здесь отображены:
D_gi - внутренний диаметр i-й диафрагмы в ее выходном сечении;
D_o - средний диаметр основного активного водяного колцьевого сопла в его выхоном сечении;
d₃ - внутренний диаметр цилиндрического участка камеры смещения;
l_ci - расстояние между срезами основного и i-го вспомогательного активного водяного кольцевого сопла;
L - расстояние от среза основного водяного кольцевого сопла до середины цилиндрического участка камеры смещения;
d_ро - калибр основного водяного кольцевого сопла.

Регенеративный подогреватель работает следующим образом.

Подогреваемый конденсат (питательная вода) подается под давлением, например, конденсатным насосом в камеру 2, встроенную в корпус 1, из которой он поступает в сопла 6 и 7. В последних происходит преобразование потенциальной энергии рабочего потока конденсата в кинетическую энергию струй, которые увлекают потоки пара, поступающие в секции патрубка 4 из отборов турбины. При этом пассивные потоки пара с более высокими давлениями поступают в секции, более близкие к камере 15 смещения цилиндрического типа с конфузорным входом. Для того, чтобы исключить перетекания пара из секции с большим давлением в секцию с меньшим давлением, при помощи водяного кольцевого сопла 7 формируется полая конусообразная струя конденсата, к внешней поверхности которой примыкают полые диафрагмы 9 с водяными кольцевыми вспомогательными соплами 12 (диафрагментными соплами). К последним через патрубки 10 по полостям в диафрагмах 9 подводится под давлением конденсат. Вытекающие из сопл 12 кольцевые струи направляются вдоль поверхности указанной полой конусообразной струи, охватывая последнюю снаружи, и сообщают ей дополнительную кинетическую энергию, предотвращая ее размывание и стабилизируя процес эжекции. Кроме того, при этом создаются необходимые уплотнения между секциями камеры 3 смешения с пассивными потоками пара. Указанные обстоятельства обеспечивают эжекцию по меньшей мре двух потоков пара, имеющих разные параметры. Для поддержания герметичности между смежными секциями камеры смешения достаточно выполнить условия
P^всп_динi ≥ ΔP_статi, где P^всп_динi - динамическое давление i-той вспомогательной водяной кольцевой струи, создаваемой при помощи соответствующего диафргменного сопла;
ΔP_статi - перепад статических давлений на границе между соответствующими смежными секциями.

В результате этого, а также вследствие затрат энергии основной и вспомогательных водяных кольцевых струй (из сопла 7 и сопл 12), дискретных водяных струй (из сопл 6) и паровой струи (из сопла 5) на эжекцию пассивных потоков пара в камере смешения устанавливается распределение статических давлений, возрастающих к ее выходу, с поддержанием разных градиентов давления на границах между смежными секциями, что и приводит к разделению движущейся и взаимодействующей с паровыми потоками разных параметров основной водяной кольцевой струи на автономные отсеки. При этом температура рабочей (питательной) воды по мере продвижения к выходу из подогревателя возрастает. Однако, как показывают опыты, увеличение температуры воды не влияет на ее эжектирующую способность и при этом отношение давления на входе в цилиндрический участок камеры смешения к давлению инжектируемого пара практически не зависит от ее температуры, хотя при этом уменьшается величина восстановления давления на выходе из подогревателя. Однако, в предлагаемом подогревателе дополнительные импульсы, подведенные со стороны остальных струй, приводят к увеличению статического давления подогреваемой питательной воды (конденсата) в цилиндрическом участке камеры 15 смешения, где завершается процесс конденсации пара, а затем и в диффузоре 16.

Отношение давлений P_2i/P_нi/P_2i - давление среды в районе среза соответстующего диафрагменного сопла 12, Р_нi - давление инжектируемого пара в соответствующей секции камеры 4 подвода регулируется в основном расходом воды через сопла 6 и 7, а их подрегулировка осуществляется подводом соответствующего количества воды через диафрагменные сопла 12. Так как при этом указанное отношение P_2i/Р_нi не зависит от давления инжектируемого пара Р_нi, то подвод последовательно в секции патрубка 4 потоков инжектируемого пара с возрастающими значениями давлений Р_нi ни в коем случае не приводит к усреднению давления во всех секциях камеры смешения. Вследствие этого в предложенном регенеративном подогревателе происходит конденсация потоков пара, находящихся в перегретом состоянии, так как поток перегретого пара предварительно сжимается, перемещаясь из одной секции в другую, до большего давления, при котором он становится насыщенным при данной температуре. Для того, чтобы сконденсировать пар с высокой степенью перегрева, необходимо предварительно снизить его степень перегрева, охлаждая его в каком-то дополнительном теплообменном аппарате. Высокие перегревы пара обычно достигаются в отборах турбин среднего и высокого давлений.

Для того, чтобы каждый из потоков пассивного пара в секциях камеры 3 смещения равномерно распределить в виде тонких слоев на соответствующих участках внешней поверхности полой конусообразной водяной струи, применены направляющие устройства, выполненные в виде пакета из воронкообразных насадок 13 с эластичными наконечниками 14. При этом эластичные наконечники 14 выполняют роль невозвратных клапанов и препятствуют возникновению возратных течений пассивного пара в пределах каждой секции, а также выполняют роль демпферов. Указанные возвратные течения обычно появляется вследствие ослабления эжектирующей способности водяных струй, вследствие неизбежных пульсаций давлений при конденсации пара на поверхности водяных струй, а также вследствие наличия зазоров между водяными струями и направляющими устройствами, которые возрастают при работе на частичных и переменных режимах, когда изменяются геометрические характеристики струй. Взамен эластичных наконечников 14 могут быть применены лепестковые клапаны или наконечники в виде диафрагменных створок.

Для улучшения смешивания пара с конденсатом (питательной водой) полая конусообразная струя закручивается при помощи лопаток 8. Кроме того, закрутка полой струи приводит к возникновению центробежных сил, прижимающих струю к вспомогательным кольцевым струям, формируемых последовательно по потоку основной струи, что предотвращает размыв последней.

Затем с целью увеличения степени подогрева конденсата (питательной воды) и дополнительного увеличения эжектирующей способности устройства через центральное активное сопло 5 подается греющий пар, поступающий из отбора турбины с наиболее высокими параметрами пара, или охлажденный пар из котла. Образуемая струя пара передает дополнительную кинематическую энергию рабочим струям конеднсата изнутри двухслойной многоструйной структуры, образованной при помощи сопл 6 и 7, а кроме того она прогревает струи указанной структуры, контактируя с ними. Для увеличения поверхности контакта внутренний конус указанной многоструйной структуры, обрамляющий паровую струю, формируется при помощи большого количества обычных сплошных струек конденсата, создаваемых соплами 6. После этого образовавшаяся смесь конденсата и частично несконденсирующегося пара поступает в цилиндрический участок камеры 15 смешения, где окончательно конденсируется пар, а подогретый конденсат поступает в диффузор 16. Пройдя диффузор, поток конденсата (питательной воды) повышает свое давление и направляется к потребителю или в деаэратор.

В предложенном техническом решении приняты все меры для устранения недостатков, имеющихся во всех известных технических решениях: для конденсации одного потока пара применены только две воронкообразные насадки, не большее их их количество (как это выполнено в многоструйном конденсаторе), что снижает гидравлические потери, но в то же время способствует поджатию конденсирующего пара к поверхности основной водяной струи и тем самым улучшает теплообмен между ними; зазоры, имеющиеся между дискретными сплошными водяными струями и эжектируемым потоком пара, устранены за счет применения сплошной полой основной водяной струи и поджатия конденсируемых потоков пара к поверхности последней; возвратные срывные потоки пара в пределах камеры смешения и ее секций устранены за счет применения соответственно уплотняющих вспомогательных водяных кольцевых струй и эластичных наконечников; ограничено число дискретных водяных струй, так как их увеличение целесообразно только до определенного предела.

Таким образом, принятые меры увеличивают эффективность работы подогревателя эжекторного типа и обеспечивают стабильность происходящих в нем процессов по сравнению с известными подогревателями.

Эффективность предложенного технического решения дополнительно возрастает в связи с тем, что в нем совмещено по сущности несколько одноступенчатых указанных известных подогревателей для конденсации нескольких потоков пара с разными параметрами. Такое совмещение привело к резкому уменьшению количества насосов, теплообменных аппаратов и трубопроводов в системе регенеративного подогрева питательной воды, а следовательно, к ззначительному уменьшению гидравлических потерь и стоимости оборудования.

На основании изложенного использование заявляемого технического решения обеспечивает уменьшение габаритов и стоимости системы регенеративного подогрева питательной воды паротурбинной установки за счет компактного расположения по меньшей мере двух секций-подогревателей в одном устройстве, за счет интенсификации теплообмена, за счет увеличения поверхности контакта теплообменивающихся сред; увеличение стабильности протекания процессов в подогревателе за счет поддержания высокого эжекционного эффекта, равномерного на протяжении всего устройства, за счет равномерного распределения пассивных сред в пределах секций с исключением возвратных перетеканий сред как между секциями, так и в пределах секций камеры смешения. (56) Авторское свидетельство СССР N 872797, кл. F 04 F 5/02, 1978.

Формула изобретения

1. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ ЭЖЕКТОРНОГО ТИПА, содержащий активное сопло греющего пара, активные водяные сопла, камеру смешения с патрубком подвода конденсаторного пара и диффузор, отличающийся тем, что подогреватель снабжен активным водяным кольцевым соплом, охватывающим активные водяные сопла, а камера смешения с патрубком подвода разделена по меньшей мере на две секции для подвода конденсируемых потоков пара разных параметров, при этом в камере смешения стенки секций выполнены в виде полых воронкообразных диафрагм, сужающихся по направлению к выходу из подогревателя и ориентированных по направлению потока, а выходной участок воронкообразных диафрагм выполнен в виде вспомогательных активных водяных кольцевых сопл и внутренний диаметр диафрагм в зоне их выходного сечения определяется из математического выражения
D= D₀+d-2l - tg
где D_дi - внутренний диаметр i-й диафрагмы в ее выходном сечении, м;
D₀ - средний диаметр основного активного водяного кольцевого сопла в его выходном сечении, м;
d₃ - внутренний диаметр цилиндрического участка камеры смешения, м;
l_ci - расстояние между срезами основного и i-го вспомогательного активных кольцевых водяных сопл, м;
L - расстояние от среза основного водяного кольцевого сопла до середины цилиндрического участка камеры смешения, м;
P_р - давление рабочей воды перед основным кольцевым водяным соплом, Па;
P_н.п - наименьшее давление инжектируемого пара, например, из последнего отбора турбины, Па;
d_P0 - калибр основного водяного кольцевого сопла, м,
d= ,
где f_P0 - площадь выходного сечения основного кольцевого водяного сопла, м².

2. Подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним направляющим устройством, установленным в секции и выполненным в виде пакета по крайней мере из двух воронкообразных насадок с эластичными наконечниками на конце, при этом внутренний диаметр выходного сечения насадок не превышает внутренний диаметр выходного сечения расположенной за пакетом диафрагмы.

3. Подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что основное водяное кольцевое сопло в его выходной части снабжено лопатками, установленными под углом к оси сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4