Паротурбинная установка со струйным эжектором и регенерацией отработанного пара

Изобретение относится к области судового энергетического машиностроения и касается конструирования паротурбинной установки судна с электродвижением. Паротурбинная установка содержит паровой котел с подовой горелкой и испарительными поверхностями нагрева, конденсатор, питательный насос, газовый регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, воздуходувку, подогреватель питательной воды, пароперегреватель, при этом испарительная поверхность котла образована вертикальными трубами с верхним и нижним кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, при этом подовая горелка находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор служит барабаном (паросборником) котла, ограничивающим сверху топочный объем котла, а периметр испарительных труб образует камеру сгорания топочного объема котла, при этом цилиндрический пароперегреватель змеевикового типа подвешен к барабану котла над камерой сгорания, из пароперегревателя рабочий пар направляется через дроссельный вентиль в кольцевое рабочее сопло кольцевого струйного эжектора с коэффициентом инжекции U=1 и кольцевой приемной камерой, кольцевой камерой смешения, кольцевым диффузором, обращенным в проточную часть турбины, отработанный пар из турбины попадает в компрессор, а из него в регенеративный подогреватель питательной воды, где пар охлаждается, нагревая питательную воду, часть пара возвращается в приемную камеру кольцевого струйного эжектора, а другая часть пара направляется в конденсатор, конденсат подается питательным насосом в регенеративный подогреватель питательной воды, а из него в нижний кольцевой коллектор котла, при этом дымовые газы из котла удаляются через кольцевой трубчатый регенеративный подогреватель воздуха, ограничивающий топочный объем котла и получающий воздух от воздуходувки. Изобретение позволяет упростить конструкцию, управление, регулирование и повысить экономичность ПТУ. 1 ил.

 

Изобретение относится к области судового энергетического машиностроения и касается конструирования паротурбинной установки (ПТУ) судна с электродвижением.

Известны схемы судовых ПТУ, работающие с подогревом питательной воды за счет отборов пара из проточной части турбин (регенеративный цикл). Несмотря на увеличение расхода пара (из-за его отбора) термический КПД такого цикла увеличивается на 10-15%. Однако при работе на сниженных нагрузках (50% мощности) давление в отборе пара снижается и недостаток греющего пара из отбора замещается свежим перегретым паром, что снижает эффект регенерации [1].

В качестве прототипа принята тепловая схема судовой ПТУ без промежуточного перегрева изображенная на Рис. 5.5.[2]. Она содержит паровой котел с пароперегревателем, экономайзером, паровые турбины высокого и низкого давления (ТВД и ТНД), конденсатор, конденсатный насос, охладитель эжектора, подогреватель низкого давления, деаэратор, питательный насос, подогреватель высокого давления, электрогенератор.

Давление пара в последних ступенях ТНД и в конденсаторе, как правило, ниже атмосферного (P_k=0,005 МПа).

Недостатки прототипа.

1. Сложность конструкции: необходимость применять многоступенчатые турбины (ТВД и ТНД), конденсатный насос, охладитель эжектора, эжектор для отсоса воздуха из конденсатора, подогреватель низкого давления, деаэратор, экономайзер.

2. Низкая экономичность: современные ПТУ транспортных судов при соответствующих параметрах рабочего пара имеют термический

КПД η_t=0, 24-0,34 [2], [3].

3. Сложность управления и регулирования ПТУ: необходимость иметь несколько клапанов для подвода пара к соответствующей группе направляющих сопл турбины.

Цель изобретения.

Упрощение конструкции, управления и регулирования, повышение экономичности ПТУ.

Цель достигается следующим: паротурбинная установка, содержащая паровой котел с подовой горелкой и испарительными поверхностями нагрева, конденсатор, питательный насос, газовый регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, воздуходувку, подогреватель питательной воды, пароперегреватель, при этом испарительная поверхность котла образована вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, при этом подовая горелка находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор служит барабаном (паросборником) котла, ограничивающим сверху топочный объем котла, а периметр испарительных труб образует камеру сгорания топочного объема котла, при этом цилиндрический пароперегреватель змеевикового типа подвешен к барабану котла над камерой сгорания, из пароперегревателя рабочий пар направляется через дроссельный вентиль в кольцевое рабочее сопло кольцевого струйного эжектора с коэффициентом инжекции U=1 и кольцевой приемной камерой, кольцевой камерой смешения, кольцевым диффузором, обращенным в проточную часть турбины, отработанный пар из турбины попадает в компрессор, а из него в регенеративный подогреватель питательной воды, где пар охлаждается, нагревая питательную воду, часть пара возвращается в приемную камеру кольцевого струйного эжектора, а другая часть пара направляется в конденсатор, конденсат подается питательным насосом в регенеративный подогреватель питательной воды, а из него в нижний кольцевой коллектор котла, при этом дымовые газы из котла удаляются через кольцевой трубчатый регенеративный подогреватель воздуха, ограничивающий топочный объем котла и получающий воздух от воздуходувки.

Упрощение конструкции, по сравнению с [2], достигается за счет исключения многоступенчатых турбин (ТВД и ТНД), конденсатного насоса, охладителя эжектора, эжектора для отсоса воздуха из конденсатора, подогревателя низкого давления, деаэратора, экономайзера, благодаря тому, что давление расширения в турбине отработанного пара выше атмосферного давления (Р_о=0,14 МПа).

Упрощается система управления и регулирования ПТУ за счет подачи перегретого рабочего пара в эжектор через дроссельный вентиль. В этом случае при неизменных сечениях проточных частей эжектора, турбины, компрессора мы получаем неизменные скорости истечения за счет увеличения объема рабочего пара при его дросселировании.

Повышение экономичности ПТУ достигается за счет высокой скорости истечения пара из кольцевого диффузора эжектора в проточную часть турбины (W=895 м/с), что позволяет применять турбины с одной или двумя ступенями скорости при η_oi=0,7-0,8 (η_е=0,63-0,72), а также за счет применения кольцевого трубчатого регенеративного подогревателя воздуха, повышающего тепловую эффективность котла и установки в целом.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом. Графическое изображение состоит из одной фигуры - Фигура 1 «Паротурбинная установка со струйным эжектором и регенерацией отработанного пара», изображающая схему устройства.

Паротурбинная установка содержит: паровой котел 1 с подовой горелкой 2, испарительные поверхности нагрева 3, конденсатор 4, питательный насос 5, кольцевой трубчатый регенеративный воздухоподогреватель 6, электрогенератор 7, воздуходувку 8, регенеративный подогреватель питательной воды (РП) 9, пароперегреватель 10, верхний 11 (барабан) и нижний 12 кольцевые коллекторы, дроссельный вентиль 13, кольцевой струйный эжектор 14, кольцевое рабочее сопло 15, кольцевую приемную камеру 16, кольцевую камеру смешения 17, кольцевой диффузор 18, турбину 19, компрессор 20.

Устройство работает следующим образом.

Пар из пароперегревателя 10 с параметрами Р_р=3 МПа и t_p=430°С через дроссельный вентиль 13 подается в кольцевое рабочее сопло 15 кольцевого струйного эжектора 14, где расширяется и эжектирует из кольцевой приемной камеры 16 регенерированный пар выходящий из РП9 с параметрами Р_н=0,3 МПа, t_н=140°C. Коэффициент инжекции эжектора 14 U=1 поэтому количество смеси удваивается по сравнению с количеством рабочего пара. Смесь паров (рабочего и регенерированного) попадает в кольцевую камеру смешения 17 с критической скоростью истечения 540 м/с и из кольцевого диффузора 18, где сверхкритически расширяется до Р_о=0,14 МПа, t_o=150°C и со скоростью W=895 м/с, попадает в проточную часть турбины 19, далее отработанный пар (после турбины) со скоростью С≈250 м/с попадает в проточную часть компрессора 20, где сжимается до Р_к=Р_н=0,3 МПа и t_к=240°С и подается в канальную часть РП 9, где охлаждается до t_н=140°C и направляется: одна часть в конденсатор 4, а другая его часть подается снова в кольцевую приемную камеру 16. Питательная вода из конденсатора 4 с параметрами Р=0,3 МПа и t_s=134°C подается питательным насосом 5 в межтрубное пространство РП9, где нагревается до 200°С и подается в нижний кольцевой коллектор 12 котла 1, таким образом превращая котел 1 в прямоточный котел [4], [5], в котором происходит кипение (выкипание) воды на одном уровне испарительных поверхностей нагрева 3 с уровнем основания верхнего кольцевого коллектора 11 (барабана котла), защищенного от прямого воздействия топочных газов конвективными поверхностями цилиндрического пароперегревателя 10. Пар из кольцевого коллектора 11 поступает в пароперегреватель 10. Для повышения тепловой эффективности котла 1 предусмотрен кольцевой трубчатый рекуперативный воздухоподогреватель 6, ограничивающий топочный объем котла 1 и получающий воздух от воздуходувки 8 с давлением 0,13 МПа. Подогретый до 300°С воздух подается из воздухоподогревателя в топочное устройство горелки 2. Мощность N_e с вала турбины 19 снимается электрогенератором 7. Предварительные расчеты показывают, что при эффективной мощности предлагаемой ПТУ N_e=57,5 MBт, КПД турбины и компрессора η_ет=η_ек=0,75, получается расход рабочего пара G=40 кг/с и эффективный КПД установки η_е=0,63, при этом мощность компрессора 20 N_k≈15,7 МВт, а общая мощность турбины 19 N_т=74 МВт.

Литература.

1. Шатровский Д.А. «Перспективные энергетические установки большой мощности для морских судов» // «Судостроение». 2015, №5.

2. Слободянюк Л.И., Поляков В.И., «Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация». Л. «Судостроение», 1983 г. С. 157.

3. Алексеев Г.Н. «Общая теплотехника», М. «Высшая школа», 1980 г., С. 493.

4. Ковалев А.П. «Парогенераторы» М.-Л. «Энергия», 1966 г. С. 28; С. 28; С. 32.

5. Енин В.И. «Судовые парогенераторы», «Транспорт», 1978 г., С. 146-148.

Паротурбинная установка, содержащая паровой котел с подовой горелкой и испарительными поверхностями нагрева, конденсатор, питательный насос, газовый регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, воздуходувку, подогреватель питательной воды, пароперегреватель, отличающаяся тем, что испарительная поверхность котла образована вертикальными трубами с верхним и нижним кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, при этом подовая горелка находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор служит барабаном (паросборником) котла, ограничивающим сверху топочный объем котла, а периметр испарительных труб образует камеру сгорания топочного объема котла, при этом цилиндрический пароперегреватель змеевикового типа подвешен к барабану котла над камерой сгорания, из пароперегревателя рабочий пар направляется через дроссельный вентиль в кольцевое рабочее сопло кольцевого струйного эжектора с коэффициентом инжекции U=1 и кольцевой приемной камерой, кольцевой камерой смешения, кольцевым диффузором, обращенным в проточную часть турбины, отработанный пар из турбины попадает в компрессор, а из него в регенеративный подогреватель питательной воды, где пар охлаждается, нагревая питательную воду, часть пара возвращается в приемную камеру кольцевого струйного эжектора, а другая часть пара направляется в конденсатор, конденсат подается питательным насосом в регенеративный подогреватель питательной воды, а из него в нижний кольцевой коллектор котла, при этом дымовые газы из котла удаляются через кольцевой трубчатый регенеративный подогреватель воздуха, ограничивающий топочный объем котла и получающий воздух от воздуходувки.