Способ использования энергии пара для производства электроэнергии

 

Использование: в теплоэнергетике. Сущность изобретения: генерируемый пар подают в рабочую камеру винтового детандера, где потенциальную энергию пара преобразуют непосредственно в механическую, а затем в электрическую, при этом влажность генерируемого пара поддерживают в диапазоне 0,6 1, а жидкость, выделяющуюся в винтовом детандере в результате стратификации, используют для создания уплотнения зазоров между внутренней поверхностью корпуса и роторами детандера. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях за счет использования энергии пара.

Известен способ использования энергии пара для производства электрической энергии, включающий производство пара в парогенераторе, превращение в соплах турбины потенциальной энергии давления пара в кинетическую энергию струи, трансформацию кинетической энергии на лопатках турбины в механическую энергию вращения ротора, передачу произведенной механической энергии к электрогенератору и превращение ее в электрическую энергию.

Указанный способ широко и успешно реализуется в существующих тепловых паротурбинных электрических станциях, работающих по циклу Ренкина.

В то же время в условиях сегодняшнего дефицита производства электрической энергии существует необходимость производить ее децентрализовано на базе существующих мелких и средних котельных, вырабатывающих в ограниченном количестве насыщенный водяной пар невысоких параметров, т.е. путем создания миниТЭЦ.

Способ, принятый за прототип, характеризуется следующими признаками, общими с предлагаемым способом и заключающимися в подаче и расширении пара в тепловом двигателе с последующим преобразованием в электрическую энергию. Применительно к аналогичному в части процесса расширения пара циклу Карно с учетом условий работы теплосилового оборудования практически осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре условия работы проточных частей турбин оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный КПД этих машин снижается.

В то же время в рассматриваемых условиях работы турбины при относительно небольших объемных расходах пара приходится заметно уменьшать высоту лопаток турбины или увеличивать частоту вращения ротора, что уменьшает КПД парового двигателя.

Кроме того, подача в турбину влажного насыщенного водяного пара, содержащего капельную жидкость, а также образование жидкости в процессе частичной конденсации пара при его расширении приводят, с одной стороны, к уменьшению КПД машины за счет гидравлических потерь (1% жидкости 1% уменьшения КПД), а также к эрозионному износу лопаточного аппарата, что снижает надежность и долговечность турбины. Известные мероприятия по сепарации влажного пара перед турбиной и по отводу жидкости, образовавшейся в процессе расширения пара, недостаточно эффективны.

Качество подготовки питательной воды (степень обессоливания) в малых и средних котельных значительно ниже, чем для энергетических котлов, работающих на паровые турбины. Поэтому в случае установки турбоагрегатов в таких котельных в отдельных элементах турбины возможно локальное вскипание капельной жидкости, которое сопровождается отложением солей на этих элементах, что с течением времени увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает надежность турбины вследствие заноса проточной части.

И, наконец, известно, что КПД турбинного двигателя резко снижается при отклонении режима его работы от номинального. Это также снижает общую эффективность классического способа в условиях переменных тепловых нагрузок и необходимости работы противодавленческой турбины по тепловому графику.

Наличие описанных недостатков явилось причиной неприменения указанного способа для производства электрической энергии на базе мелких и средних котельных.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности преобразования энергии пара при производстве электроэнергии в условиях малых и средних котельных, при этом технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, возможность использования влажного пара, выбрасываемого на малых и средних котельных не только для целей теплофикации, но и для производства электроэнергии.

Это достигается тем, что по способу использования энергии пара для производства электроэнергии, заключающемуся в генерировании пара, подача его в тепловой двигатель, расширении его с последующим преобразованием энергии расширения пара в механическую энергию, которую преобразуют в электрическую, влажность генерируемого пара поддерживают в диапазоне 0,6-1, расширение пара ведут в винтовом детандере, в рабочую камеру которого подают пар, стратифицируют его на пар и жидкость, преобразуя в процессе расширения потенциальную энергию пара непосредственно в механическую, воздействуя при этом на ротор детандера, кинематически связанный с приводом генератора электроэнергии, причем стратифицированную жидкость используют для создания уплотнения зазоров между внутренней поверхостью корпуса и ротоpом детандера.

Способ может быть реализован в установке, схема которой приведена на чертеже.

Установка содержит паровой котел 1, соединенный паропроводами с входом винтового детандера 2, при этом выход винтового детандера соединен паропроводом с потребителем пара или конденсатором 3. Один из роторов детандера соединен с генератором 4 электрического тока. На трубопроводе, соединяющем паровой котел и выход от потребителя, установлен питательный насос 5.

Согласно изобретению пар со степенью сухости 0,6-1 подают в винтовой детандер. Винтовой детандер относится к классу объемных машин, т.е. расширение газа в нем осуществляется в замкнутом объеме парной рабочей полости, образованной профилями зубьев роторов и стенками корпуса.

Конструктивно винтовой детандер аналогичен серийному винтовому компрессору и состоит из двух роторов, имеющих винтовую нарезку специального профиля, и корпус, в котором они вращаются. Отсутствие контакта роторов между собой обеспечивает пара синхронизирующих шестерен. Процесс расширения газа осуществляется одновременно, различаясь по фазе, в восьми парных полостях.

Рабочий процесс в детандере состоит из следующих фаз: заполнение парной рабочей полости через специальное впускное окно, имеющееся в корпусе, отсечка парной рабочей полости от впускного окна, расширение рабочего тела в замкнутом объеме полости при ее увеличении, присоединение рабочей полости к выпускному окну в момент достижения ее максимального объема, выталкивание газа из рабочей полости при уменьшении ее объема до нуля.

Таким образом, в отличие от турбины, где потенциальная энергия пара, проходящего через сопло, превращается в кинетическую (т.е. пар разгоняется до высоких скоростей) и затем на лопатках кинетическая энергия переходит в механическую энергию вращения колеса турбины, в детандере рабочий процесс идет по другим законам (имеет место непосредственный переход потенциальной энергии в механическую) и при малых скоростях движения пара. Это обстоятельство, а также массивность зубьев роторов детандера исключает возможность эрозии рабочих органов и снижение вследствие этого надежности машины.

Более того экспериментально установлено, что наличие жидкости на входе в детандер и в рабочих полостях в процессе расширения рабочего тела заметно увеличивает КПД машины, поскольку капельная жидкость заполняет существующие гарантированные (чтобы не было механического контакта элементов) зазоры в детандере между гребнями зубьев и корпусом, а также между зубьями, находящимися в зацеплении, и тем самым заметно сокращает непроизводительные перетечки газа из полости в полость. Такие перетечки обуславливают 70-75% потерь в работающей в "сухом" режиме винтовой расширительной машине. Таким образом, в отличие от турбин при работе на влажном паре наличие жидкости на входе в машину и выпадение конденсата при расширении пара не ухудшают, а улучшают показатели эффективности работы теплового двигателя.

В случае появления отложений на поверхности рабочих элементов детандера происходит еще более эффективное, чем в случае в капельой жидкостью уплотнение зазоров между элементами (практически до нуля), следствием чего является резкое уменьшение протечек и существенное увеличение КПД детандера.

Капельная жидкость, поступившая в машину или образовавшаяся в результате конденсации части пара в процессе расширения, в результате вращательного движения роторов отбрасывается к периферии и образует на поверхности цилиндрических расточек корпуса конденсатную пленку, движущуюся вместе с паром от входа к выходу детандера. Эта пленка заполняет зазор между корпусом и зубом винта, в результате чего уменьшаются перетечки пара и увеличивается КПД машины. Некоторая часть жидкости, оседая на поверхности зубьев и перемещаясь по ней к поверхности расточки корпуса, обеспечивает уплотнение зазоров между роторами по линии контакта зубчатого зацепления. При том верхний предел степени сухости пара определяется максимальным значением, равным единице, а КПД тепловой машины в зависимости от изменения степени сухости (влажности) пара имеет экстремум в области значений степени сухости пара, соответствующей образованию конденсатной пленки толщиной, равной величине рабочего зазора между корпусом и вершиной зуба детандера.

Как установлено, диапазон степени сухости расширяемого пара х, обеспечивающий превышение КПД установки по отношению к режиму "сухого" пара, находится в пределе 0,6<x<1.

Принимают в качестве допущения, что вся имеющаяся в детандере жидкость равномерно распределяется по поверхности расточек корпуса. Для рассматриваемой машины величина поверхности составит 0,45 м² (πD x L x2 2H x L). Приняв величину рабочего зазора между винтами и корпусом 0,06 мм, получают, что объем конденсатной пленки при условии полного перекрытия зазоров равен 27 см³, а ее масса m 0,0270 кг.

В каждый отдельно взятый момент времени количество одновременно существующих рабочих полостей равно восьми, а их суммарный объем в момент окончания процесса заполнения полости паром составляет 6,62 х 10^-3 м³ (определен по геометрическим параметрам детандера). При удельном объеме сухого насыщенного пара на входе в детандер 0,1434 м³/кг (при 14 ат) суммарная масса пара М, находящегося в данный момент в машине, составляет 0,0462 кг. Суммарная масса смеси, находящейся в машине, М + m 0,0462 + 0,027 0,0732 кг. При этом влажность пара составит Jm/(M + m) 0,027/(0,0462 + 0,027) 0,368.

Учитывая, что J + x 1, где х степень сухости пара, получают, что экстремальное значение КПД соответствует степени сухости пара, равной 0,63.

При дальнейшем уменьшении степени сухости пара имеет место снижение КПД устройства, так как толщина конденсатной пленки превышает величину зазора Δ, и появляются потери энергии на перемещение избыточного количества жидкости верхними кромками зубьев роторов.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне степени сухости расширяемого пара 0,6<x<1 имеет место неочевидный эффект повышения КПД энергетической установки для тяжелых условий работы теплового двигателя на влажном паре, что позволяет существенно расширить диапазон источников пара и тепловых двигателей, пригодных и экономически целесообразных для выработки электрической энергии.

Формула изобретения

СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПАРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, заключающийся в генерировании пара, подаче его в тепловой двигатель, расширения его с последующим преобразованием энергии расширения пара в механическую энергию, которую преобразуют в электрическую, отличающийся тем, что влажность генерируемого пара поддерживают в диапазоне 0,6-1,0, расширение пара ведут в винтовом детандере, в рабочую камеру которого подают пар, стратифицируют его на пар и жидкость, преобразуя в процессе расширения потенциальную энергию пара непосредственно в механическую, воздействуя при этом на ротор детандера, кинематически связанный с приводом генератора электроэнергии, причем стратифицированную жидкость используют для создания уплотнения зазора между внутренней поверхностью корпуса и ротором детандера.

РИСУНКИ

Рисунок 1