Автономный электропарогенератор

 

Изобретение относится к области производства электроэнергии паросиловыми установками. Автономный электропарогенератор состоит из парогенератора, турбины, конденсатора и насоса. Парогенератор выполнен универсально-комбинированным в виде единой блочной конструкции. Турбина выполнена из конденсационной (пустотелой) и реактивной частей, причем конденсационная и реактивная части имеют собственное независимое вращение относительно общей оси крутящего момента. Пар после турбины поступает в конденсатор через диффузоры и расширитель. Сущность изобретения состоит в том, что в данной конструкции используется термодинамический цикл Карно, совмещенный с вариантом Ренкина. Изобретение позволяет повысить надежность устройства в эксплуатации, обеспечить быстрый ремонт и замену оборудования. 4 ил.

Изобретение относится к области производства электроэнергии паросиловыми установками, где в качестве головного звена используется паровая турбина. Может найти применение в стационарных условиях.

Известны технические решения, содержащие паровую турбину, - ТЭС, ТЭЦ.

Недостатками известного являются обязательное наличие водоема, громоздкость оборудования, большая масса затрачиваемого металла, наличие комплекса базовых сооружений и узлов, связанных между собой протяженной магистралью, приводящей к неизбежным тепловым потерям и снижению общего КПД. Эти обстоятельства не позволяют использовать паровую турбину в качестве универсального, стационарного источника для производства электроэнергии.

Известен автономный электропарогенератор, состоящий из парогенератора, турбины, конденсатора и насоса (см. а. с. SU 1377419 A1, F 01 K 11/04, 29.02.88). Недостатками данного устройства являются громоздкость оборудования, большая масса затрачиваемого металла, низкий КПД.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков и от его использования может быть получен следующий технический результат: снабжение электроэнергией потребителя в отсутствие водоема и в местах кратковременного базирования.

Это достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве используется собственный запас воды и в замкнутом тепловом цикле используется турбина необычной конструкции, совмещенной с парогенератором в единую блочную конструкцию, позволяющую уменьшить массу и затраты металла за счет совмещения и сокращения стенок различных агрегатов, исключить звено соединительной магистрали, рационально расположить и задействовать в единой конструкции все необходимые агрегаты паротурбинного цикла. Эти обстоятельства, а также возможность парогенератора использовать любой вид топлива делают конструкцию не только универсальной, но и выгодной с экономической точки зрения. Немаловажным фактором является также бесшумность работы электропарогенератора и преимущество по мощности по сравнению с ДВС, который кроме ограничения по мощности содержит большее количество трущихся деталей.

На фиг. 1 изображена турбина, общий вид в разрезе, где 1 - роторная часть турбины; 2 - статорная часть турбины; 3 - воздушные лопатки; 4 - место установки силовых лопаток; 5 - опора подшипника статорной части турбины; 6 - пустотелость статорной части турбины; 7 - сопловый аппарат и поворотные лопатки; 8 - диффузоры; 9 - противопомпажный клапан; 10 - выходные пазы отработавшего пара.

На фиг. 2 изображен парогенератор, общий вид в разрезе, где 11 - расширитель; 12 - эжектор; 13 - конденсатор; 14 - паропроизводитель; 15 - деаэратор; 16 - уравнительные емкости; 17 - питательный и масляный насосы; 18 - вытяжные лопатки расширителя; 19 - коллектор; 20 - улиточная емкость расширителя; 21 - приводной компрессор; 22 - паровой ресивер.

На фиг. 3 изображено устройство паросиловой части, общий вид в разрезе, где 23 - водяная емкость; 24 - камера высокого давления; 25 - камера промежуточного давления; 26 - воздушный ресивер; 27 - камера выхода сжатого воздуха; 28 - электромагнитная муфта; 29 - гидропривод; 30 - ротор генератора; 31 - статор генератора; 32 - тормозное устройство; 33 - клапан вентиляции; 34 - пусковой электродвигатель.

На фиг. 4 изображен электропарогенератор, общий вид.

Принцип устройства электропарогенератора следующий.

Статорная часть (конденсационная) турбины (условно) 2, устанавливается опорой 5 в пазовый подшипник водяной емкости 23, которая является фундаментом устройства. На паз статорной части турбины устанавливается роторная (реактивная) часть (условно) турбины 1. Таким образом, обе части турбин имеют собственное независимое вращение относительно фундамента. Между обечайками обеих частей турбин образуется силовое пространство 4, в которое устанавливаются рабочие лопатки и направляющий аппарат. Монтаж ведется после насадки обеих частей друг на друга, для чего предварительно фрезеруются пазы в корпусе обеих частей турбин.

Пар в силовую часть турбины поступает из неподвижного коллектора 19 через сопловый аппарат 7. Сопловый аппарат вместе с поворотными лопатками, расположенными в днище статорной части турбины, представляет собой предварительную ступень и служит для плавного изменения направления пара и устранения вибрации. Противопомпажный клапан 9 защищает турбину от перегрузок и необходим для запуска турбины, где он играет роль дроссельного аппарата и регулятора давления. Отработавший пар из силовой части турбины выходит через пазы 10 в пустотелость статорной части турбины 6, а затем через диффузоры 8 в расширитель 11. Верхнюю часть статорной части турбины центрует расширитель, а верхнюю часть роторной части турбины центрует электромуфта 28, которая жестко крепится к воздухосборнику 26, который в свою очередь закреплен с расширителем. Расширитель препятствует утечке пара из пустотелости в атмосферу. При запуске часть пара поступает в силовую часть турбины, а другая часть, дросселируясь противопомпажным клапаном, поступает в пустотелость, где смешивается с отработавшим паром и направляется через диффузоры в расширитель. Таким образом избегаются потери замкнутого теплового цикла. Кроме того, пустотелость статорной части турбины значительно уменьшает общую массу турбины, а расположенные в ней ребра жесткости уменьшают влияние центробежных сил.

Ребра жесткости (не показаны) крепятся под небольшим углом (по ходу вращения), обозначая направление пара от выходных пазов до диффузоров. В дальнейшем, пар попадает под влияние вытяжных лопаток расширителя 18. Следует заметить, независимо какая часть турбины будет вращаться, всюду пар будет проходить один и тот же путь от коллектора 19 через сопловый аппарат 7 в силовую часть 4, затем через выходные пазы 10 в диффузоры 8 и попадает под влияние вытяжных лопаток расширителя 18. Вытяжные лопатки расширителя расположены под острым углом и достаточно близко к диффузорам. Поэтому, чем быстрее вращается статорная часть турбины, тем ниже давление в ее пустотелости и больше давление за вытяжными лопатками расширителя. Следовательно, будет выгоднее, если вращаться будет статорная часть, а роторная часть будет находится неподвижной, но в этом случае могут образоваться утечки пара из коллектора, т. к. он неподвижен, поэтому в корпусе расширителя предусмотрена улиточная выпуклость 20. После вытяжных лопаток расширителя пар получает дополнительную скорость, но т. к. выхода для него нет, то и дополнительное давление. Далее он направляется в камеру высокого давления 24, объем которой незначительный по сравнению с объемом расширителя. В камере высокого давления установлен объемный пустотелый электродвигатель 21, внутренний диаметр которого насаживается на шейку цилиндра расширителя. Этот электродвигатель выполняет роль приводного компрессора. Таким образом, в начальной стадии сжатия используется принцип Карно, в дальнейшем сжатие может осуществляться по варианту, предложенному инженером Ренкиным. Т. е. конструкция позволяет совмещение обоих циклов. С камеры высокого давления часть пара поступает в камеру промежуточного давления 25, которую можно использовать для регенерации, производственных нужд и т. д. С камеры высокого давления частично сконденсированный пар поступает в конденсатор 13 и окончательно охлаждается водой из водяной емкости 23.

Пар вырабатывается в паропроизводителе 14. В дальнейшем пар направляется по различным узлам паротурбинного цикла в зависимости от степени надежности, мощности и защиты парогенератора. Для очистки пара можно частично задействовать камеру промежуточного давления, а для перегрева пара - камеру деаэратора 15, которая совмещена с дымоходом, с одной стороны, и служит защитой от перегрева приводного компрессора, с другой стороны, причем перегрев может осуществляться за счет уходящих газов. Перегретый пар поступает в паровой ресивер 22. Паровой ресивер сглаживает пульсации, и от него пар поступает в коллектор. Эжектор 12, циркуляционный и масляный насос 17 - необходимые агрегаты паротурбинного цикла. Уравнительные емкости 16 обеспечивают защиту паропроизводителя, турбины и выносных циклонов при перерыве в питании. Клапан вентиляции 33 поддерживает умеренное сжигание топлива и осуществляет приток свежего воздуха.

Позиции 3, 26, 27, 28, 29, 32, 34 служат для запуска турбины. Ротор 30 и статор 31 являются генератором, вырабатывающим электроэнергию для потребителя (щетки и токосъемные кольца не показаны). Нагрузку выгоднее снимать при неподвижной роторной части турбины, т. к. в этом случае будет вращаться статорная часть турбины вместе с диффузорами и после вытяжных лопаток давление пара в корпусе расширителя будет больше и сжатие будет происходить интенсивнее. Но для быстрого и безболезненного запуска необходимо вращение обеих обечаек турбины, т. е. ее роторной и статорной части, между которыми находятся рабочие лопатки и направляющий аппарат.

Электропарогенератор работает следующим образом.

Электропарогенератор может работать на любом виде топлива (газ, дрова, уголь, керосин и т. д. ), достаточно только подготовить его для этого, установить или убрать форсунки, насадки, подготовить шлаковую камеру и загрузочный ленточный конвейер. Оператор может находится в центре и непосредственно наблюдать за процессом в смотровое окно, через которое видны уравнительные емкости.

Добившись нужного давления в паровом ресивере, запускают турбину. Для запуска необходим любой источник электроэнергии или дизель-генератор, который должен быть укомплектован компрессором. Компрессор закачивает сжатый воздух в воздушный ресивер.

После заполнения воздушного и парового ресивера до нужного давления рукояткой гидропривода отпускают тормозное устройство статорной части турбины в ее подшипниковой части и подают питание на пусковой электродвигатель. Одновременно выводят из зацепления электромуфту и открывают клапана подачи сжатого воздуха из воздухосборника на воздушные лопатки роторной части турбины. Вращение обеих частей турбины должно быть в разные стороны. Следует заметить, что рабочие обороты турбины находятся в пределах 6-7 тысяч в минуту. Поэтому и необходимо вращение обеих частей, т. к. в этом случае их обороты суммируются. Следующим положением рукоятки гидропривода впускают постепенно пар из парового ресивера через коллектор в силовую часть турбины. Если давление чрезмерное, часть пара дросселируется в пустотелость статорной части турбины противопомпажным клапаном. Сжатый воздух воздействует на воздушные лопатки и, отработав, выходит в атмосферу через камеру выхода сжатого воздуха. В камере выхода сжатого воздуха должен быть установлен байпасный клапан, который защищает роторную часть турбины, особенно при ее остановке. После запуска (когда турбина наберет достаточный обороты) роторная часть турбины тормозится электромуфтой и фиксируется. Таким образом, будет вращаться только одна статорная часть турбины. Регулировка и настройка на требующий режим осуществляется подбором шайб в парогенераторной части и соблюдением уровня в выносных циклонах. Правильный выбор включения гидравлической схемы и значительное время срабатывания в уравнительных емкостях обеспечат быстрый запуск турбины и позволят существенно увеличить срок эксплуатации устройства. Настройка производится только один раз до случая поломки или замены какого-нибудь блока. Блочная конструкция позволяет легко разбирать и ремонтировать электропарогенератор.

Источники информации 1. Баскаков А. П. Теплотехника. М. : Энергоиздат, 1982 г.

2. Бузников Е. Ф. Комбинированная выработка пара и горячей воды. М. : Энергоиздат, 1981 г.

Формула изобретения

Автономный электропарогенератор, состоящий из парогенератора, турбины, конденсатора и насоса, отличающийся тем, что парогенератор выполнен универсально-комбинированным в виде единой блочной конструкции, турбина выполнена из конденсационной (пустотелой) и реактивной частей, причем конденсационная и реактивная части имеют собственное независимое вращение относительно общей оси крутящего момента, а пар после турбины поступает в конденсатор через диффузоры и расширитель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4