Способ и устройство для интенсификации конденсации и улучшения течения пара внутри выхлопного патрубка турбины и конденсатора паровой турбины

 

Изобретение относится к способу и устройству для улучшения конденсации пара внутри выхлопного патрубка турбины. Капли воды во влажном паре, выходящем из паровой турбины, несут электрический заряд. Попадая в достаточно сильное электрическое поле, создаваемое соответственно размещенными электродами, заряженные капли воды распадаются на множество мелких капелек, служащих зародышами для мелкой конденсации. Пересыщение пара уменьшается, соответственно снижается содержание воды в паровой фазе, давление в конденсаторе и противодавление турбины. Электростатические силы, воздействующие на заряженные капельки воды, уменьшают турбулентность в потоке влажного пара, дополнительно снижая противодавление. Это приводит к повышению к.п.д. блока и выработки энергии при неизменном расходе топлива. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил. , 3 табл.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к способу и устройству для улучшения конденсации пара внутри выхлопного патрубка турбины с целью снижения противодавления и повышения к.п.д. турбины.

Связанные заявки на выдачу патентов Несколько конструкций нагреваемых проходных и подвесных изоляторов, которые могут использоваться внутри выхлопного патрубка турбины и в конденсаторе паровой турбины, приведено в связанной заявке на выдачу патента США "Высоковольтные электрические изоляторы для использования во влажных средах" 08/368998 от 5 января 1995 г. (заявители Володимир Петрович Скляров, Юрий Иванович Сергиенко, Анатолий Олексиевич Тарелин и Олег Верес), на которую здесь дается ссылка. Эти изоляторы предназначены для использования в заявляемом изобретении и показаны на фиг.1 и 2 настоящей заявки.

В патенте России 2006081 описан нагреваемый проходной изолятор, который также может быть использован в связи с настоящим изобретениям.

Предшествующий уровень техники Вырабатываемая мощность и к.п.д. паровой турбины определяются главным образом перепадом давлений и температур пара при его прохождении через турбину. Снижение противодавления турбины Р_в позволяет извлечь из пара больше энергии и превратить ее в полезную механическую или электрическую работу. Противодавление соотносится с давлением, измеренным на выходе турбины, давлением в конденсаторе и перепадом давлений в выхлопном патрубке турбины формулой P_B≅P_TE = P_CN+L_TN Значит, сокращение P_CN и L_TN дает дополнительное снижение Р_в и увеличение к.п.д.

Пар, проходящий через турбину, обычно влажный, он состоит из водяных паров и диспергированных в них капель воды. Водяные пары переохлаждаются и продолжают конденсироваться на каплях воды. За счет внутренней конденсации уменьшается количество воды в газовой фазе и, соответственно, давление влажного пара. Скорость прохождения влажного пара в выхлопном патрубке турбины может составлять 100-200 м/с, а длина выхлопного патрубка всего несколько метров. Следовательно, время перехода с последней ступени турбины в конденсатор равно всего 0,01-0,1 с. Поскольку жидкая фаза влажного пара содержит относительно немного крупных капель, это время слишком мало для того, чтобы процесс внутренней конденсации достиг равновесия, и по этой причине ltn больше, чем если бы равновесие было достигнуто.

Соответственно, увеличение количества капель воды во влажном паре внутри выхлопного патрубка турбины за счет образования дополнительных капель улучшило бы внутреннюю конденсацию водяных паров и привело бы к снижению L_TN и Р_в и повышению к.п.д. Ускорение внутренней конденсации внутри выхлопного патрубка турбины снижает также нагрузку на конденсатор и тем самым величину P_CN.

Благодаря высокой скорости пар на выходе турбины обладает значительной кинетической энергией; большая часть кинетической энергии связана со средней скоростью прохождения пара параллельно оси выхлопного патрубка турбины, но часть ее имеет место за счет турбулентных завихрений в потоке пара. Обычно выхлопной патрубок турбины выполняется в виде диффузора. Сечение выхлопного патрубка турбины плавно возрастает от турбины к конденсатору, а средняя скорость течения пропорционально уменьшается. Сокращение скорости течения соответствует существенному уменьшению кинетической энергии пара, что ведет к росту статического давления в конденсаторе относительно выхода турбины, снижая тем самым L_TN. Кинетическая энергия, связанная с турбулентными потоками, не исчезает. Снижение турбулентности в потоке пара и преобразование части кинетической энергии турбулентных потоков в кинетическую энергию, связанную со средней скоростью потока, позволяет выделить большое количество кинетической энергии, дополнительно уменьшая L_TN и Р_в.

В авторском свидетельстве СССР 1677483 (авторы А.Е. Хиневич, А.О. Тарелин, Н. В. Сурду, И. Л. Иванов и В.В. Органов) описано устройство для улучшения конденсации водяного пара в поверхностном конденсаторе, в котором к решетке прикреплены в виде сетки с гексагональными ячейками множество остроконечных продолговатых электродов, а решетка установлена параллельно верхним поверхностям трубного пучка внутри конденсатора. Расстояния между электродами и расстояния от концов электродов до труб конденсатора подчиняются определенной пропорции. Когда к электродам прикладывается достаточно высокое напряжение, чтобы вызвать протекание тока нужной величены от электродов к трубам конденсаторов, на верхушках электродов возникает коронный разряд, ионы которого образуют зародыши капель воды, улучшая тем самым конденсацию пара.

Устройство, описанное в а. с. СССР 1677483, работало только в лабораторной установке. Концы электродов находятся близко к трубному пучку, и коронный разряд от каждого электрода ограничен небольшим коническим объемом между верхушкой электрода и трубным пучком. Поскольку коронные разряды ограничены небольшими участками, непосредственно прилегающими к трубному пучку, это устройство не воздействует на турбулентность и неравномерности в течении, возникающие в выхлопном патрубке турбины над конденсатором. Капли воды зарождаются только внутри относительно малого объема и существуют очень недолгое время, прежде чем ударятся о поверхности труб. Пробойная стойкость электрического поля в потоке влажного пара изменяется в зависимости от содержания влаги, скорости течения и других параметров. Поэтому одинаковое напряжение, приложенное ко всем электродам, может создавать на разных электродах токи различной силы. На некоторых электродах могут возникать искры или дуговые разряды, которые отбирают энергию у других электродов и делают неработоспособным устройство в целом. Поскольку на каждом электроде поддерживается коронный разряд, потребление энергии высокого напряжения слишком велико по сравнению с объемом коронного разряда и получаемым эффектом.

Ябэ (1995) дал обзор электростатических явлений и примеров, применимых при теплопередаче. В литературе, рассмотренной Ябе, не упоминаются известные решения, имеющие отношение к настоящему изобретению. Все примеры, приводимые Ябэ, относятся к процессам теплопередачи с применением хлорфторуглеродов и прочих органических жидкостей с очень малой электропроводностью и высокой пробойной стойкостью. Упоминаются использование коронного ветра для прогонки паров через теплообменник на скорости до 2 м/с, применение электрострикции для создания струй жидкости и использование электрических полей для удаления конденсата с теплообменной поверхности. Напряженность электрического поля, необходимая для получения вышеуказанных эффектов, составляет во всех этих случаях 10 кВ/см или больше, т.е. значительно превышает ту, что имеет место в нашем случае. Большей частью теплообменная поверхность служит противоэлектродом. В обзоре Ябэ нигде не упоминается применение электрических полей в конденсаторе пара при создании зародышей капель или других воздействиях на улучшение внутренней конденсации.

ЦЕЛИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ Изобретение направлено на снижение давления пара, выходящего из последней ступени турбины через выхлопной патрубок турбины в конденсатор. Турбулентность и неоднородности тока при этом также уменьшаются, что ведет к увеличению выработки энергии при неизменном расходе топлива.

Газовая фаза влажного пара, вытекающего из турбины, переохлаждена и продолжает конденсироваться на каплях воды, имеющихся во влажном паре. Поскольку эти капли довольно крупные, их поверхность конденсации мала, и процесс внутренней конденсации не достигает равновесия. Поэтому давление внутри выхлопного патрубка турбины выше, чем было бы при достигнутом равновесии, и выработка энергии турбиной снижается.

В процессах разделения зарядов внутри турбины возникают положительный электрический заряд на каплях воды во влажном паре, вытекающем из турбины. Попадая в электрическое поле, напряженность которого превышает определенный порог, заряженные капли становятся нестабильными и распадаются, образуя множество мелких капелек, служащих зародышами конденсации.

Соответственно, предлагаемый способ увеличения выработки энергии заключается в том, что на пути влажного пара создают электрическое поле достаточной напряженности, чтобы разбивать заряженные капли воды, по ходу напряженного электрического поля обеспечивают достаточно места и времени, чтобы пары воды конденсировались на вновь образованных капельках. На практике необходимые место и время обеспечивают созданием электрического поля на пути потока на некотором расстоянии от теплообменных труб, а не в непосредственной близости от труб, как в известных решениях.

Устройство для увеличения выработки энергии содержит
несколько активных электродов, подвешенных в одной плоскости в выхлопном патрубке турбины на некотором расстоянии от трубных пучков конденсатора и перпендикулярно потоку влажного пара;
заземленные электроды, подвешенные между активными электродами;
источник энергии высокого напряжения для активных электродов;
изоляторы для поддержки активных электродов и подачи в них энергии высокого напряжения, способные надежно функционировать в физической среде, существующей внутри выхлопного патрубка турбины.

Чередующиеся активные и заземленные электроды создают зоны электрических полей высокой напряженности, охватывающих практически полное сечение прохождения пара через выхлопной патрубок турбины. Большая часть пара проходит через сильные электрические поля, и капли воды в паре разрушаются, создавая многочисленные зародыши для внутренней конденсации. За счет более интенсивной внутренней конденсации снижается противодавление и возрастает выработка энергии.

Поскольку влажный пар содержит и заряженные капли воды, сильные электрические поля воздействуют на него, уменьшая колебания потока и турбулентность. Тем самым дополнительно снижается противодавление турбины.

Предлагаемые способ и устройство отличаются от предшествующего уровня техники и превосходят его по нескольким причинам:
в известном уровне техники (а. с. СССР 1677483, заявка России 5047816/06) игольчатые электроды устанавливались на малом расстоянии от трубного пучка и получались небольшие конические участки с высокой напряженностью электрического поля, непосредственно прилегающие к наружной поверхности трубного пучка. Эти небольшие участки с высокой напряженностью электрического поля не охватывали полностью сечение потока влажного пара. Соответственно лишь часть пара подвергалась воздействию сильного электрического поля.

Поскольку участки с высокой напряженностью поля непосредственно соседствовали с трубными пучками, образующиеся там зародыши практически не имели времени вырасти за счет конденсации до того, как ударялись о трубный пучок. В литературе нет никаких указаний на желательность размещения участков с высокой напряженностью электрического поля на некотором удалении от трубного пучка.

Ввиду малых размеров участков с высокой напряженностью поля и их близости к трубному пучку не оказывается воздействие на газодинамику потока в выхлопном патрубке турбины и не получается выигрыша за счет сокращения турбулентности и колебаний потока.

В известных устройствах практически весь ток стекает с активного электрода в землю через теплообменные трубы, которые по существу являются противоэлектродами, что может привести к коррозии теплообменных труб.

Известные устройства никогда успешно не работали на промышленных установках, и даже в лабораторных условиях их положительное воздействие на конденсацию было невелико.

В известных способах применялся коронный разряд для дробления капель воды и не учитывалось существование заряженных капель в потоке влажного пара. Для работы известных устройств, насколько она вообще была возможна, не требовалось наличие заряженных капель в паре.

Настоящее изобретение стало возможным благодаря тому неожиданно установленному обстоятельству, что капли воды во влажном паре, проходящем через турбину, несут положительный заряд, который легко обнаруживается и измеряется способом, описанным в примере 1. Для осуществления настоящего изобретения необходимо наличие заряженных капель воды в отходящем паре турбины.

В предлагаемых способе и устройстве предусмотрены противоэлектроды, размещенные рядом с активными электродами, причем все электроды установлены на пути потока влажного пара на некотором расстоянии от трубных пучков. Поэтому:
по существу все сечение выхлопного патрубка турбины охвачено сильными электрическими полями;
образующимся капелькам хватает места и времени, чтобы послужить зародышами внутренней конденсации до столкновения с трубным пучком;
оказывается благоприятное воздействие на газодинамику потока;
благодаря наличию противоэлектродов лишь небольшая часть тока с активных электродов стекает в землю через теплообменные трубы;
предлагаемые способ и устройство успешно работают на электростанции с положительным эффектом, а нагреваемые изоляторы, описанные в вышеуказанной связанной заявке США и в патенте России 2006081, очень значительно способствуют этому.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Мы полагаем, что приводимые здесь разъяснения достоверны, но не считаем себя связанными этими разъяснениями.

Определения терминов
"Активные электроды" - электроды, в которых поддерживается значительный электрический потенциал относительно земли;
"переменное электрическое поле" - поле, направление которого периодически изменяется во времени по синусоиде. То же значение имеет "переменный потенциал";
"кажущаяся плотность заряда" - плотность заряда во влажном паре, определяемая способом, описанным в примере 1;
"наложение значительного напряжения между, по меньшей мере, одним активным электродом и, по меньшей мере, одним противоэлектродом" - электрическое соединение одного полюса источника энергии высокого напряжения с активными электродами, а другого полюса - с противоэлектродами. Если противоэлектроды заземлены, второй полюс можно подключать к заземлению;
"сопутствующий ток" - ток, протекающий через влажный пар от активных электродов к противоэлектродам или к различным электропроводным деталям конденсатора или выхлопного патрубка турбины вследствие наличия сильного электрического поля;
"средняя напряженность электрического поля" - разность потенциалов между двумя соседними электродами, деленная на расстояние между ними;
"противодавление" - статическое давление, замеренное в выхлопном патрубке турбины на небольшом расстоянии от последней ступени турбины;
"напряженность поля пробоя" Е_bd - значение напряженности электрического поля, достаточное для получения электрического разряда (коронного, дугового, искрового);
"проводной коронный электрод" - линейный коронный электрод, в котором опорным элементом служит шнур, проволока, провод или трос или иной гибкий материал. Проводной коронный электрод обычно крепится концами к точкам крепления и растягивается между ними;
"несущий шнур" - гибкий опорный элемент коронного электрода, которым может быть проволока, пластиковая нить, шнур из стекловолокна или иной материал в виде шнура;
"конденсатор" - поверхностный конденсатор с большим количеством теплообменных труб, контактный конденсатор, где пар конденсируется при прямом контакте с распыленной охлаждающей водой, или кожухотрубный теплообменник, служащий для конденсации пара под давлением выше атмосферного в теплофикационной установке;
"давление в конденсаторе" - статическое давление, замеренное немного выше трубных пучков конденсатора;
"соединительный канал" в формуле изобретения означает выхлопной патрубок турбины или другой соединительный элемент, по которому пар проходит из турбины в конденсатор. В формуле изобретения объем поверхностного конденсатора выше трубных пучков рассматривается как часть соединительного канала. Если провести воображаемую плоскость, секущую соединительный канал так, чтобы путь прохождения отходящего пара турбины был примерно перпендикулярен этой плоскости, то пересечение этой плоскости с внутренней поверхностью соединительного канала образует сечение, пересекающее путь прохождения. Как правило, активные электроды, потивоэлектроды и создаваемое ими электрическое поле находятся вблизи такой воображаемой плоскости. Форма соединительного канала может позволять использование части его в роли заземленного противоэлектрода. Например, на электростанции, описанной в примере 5, выхлопной патрубок турбины вблизи конденсатора имеет примерно прямоугольное сечение, проводные коронные электроды расположены параллельно большей оси прямоугольника, а плоские стенки выхлопного патрубка турбины служат заземленными противоэлектродами для двух крайних активных электродов;
"коронный электрод" - электропроводный элемент, обладающий острыми верхушками или кромками, которые способствуют образованию коронного разряда и поддержанию соотношения ток - напряжение, подобного кривой 29 на фиг.5. Возможно большое количество типов коронных электродов, некоторые из них описаны далее. Коронный электрод может включать опорный элемент, служащий механической опорой для прикрепленных к нему проводящих элементов и в то же время сам может служить проводником. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанном в настоящей заявке, опорным элементом является несущий шнур, представляющий собой либо оголенный провод, либо шнур из стекловолокна с покрытием из силиконового каучука. Эти электроды гибкие и при монтаже растягиваются между двумя изоляторами или точками крепления. На фиг.3 показан коронный электрод, в котором вокруг несущего шнура обернута двойная проволочная спираль. Если несущий шнур выполнен из непроводящего материала, к нему необходимо прикрепить непрерывный проводник, для чего и служит двойная проволочная спираль. Возможно множество других конструкций; например, проволока может быть снабжена шипами по типу колючей проволоки. Коронный электрод может представлять собой полоску металла с зазубренными краями или квадратную трубку с острыми кромками; в таком случае опорный элемент и есть электрод. В качестве опорного элемента можно также использовать жесткий стержень или трубку либо материал с совершенно другой геометрией, допустим, металлический стержень с одним заостренным концом или решетку из проводящего материала с прикрепленными к ней металлическими иглами;
"противоэлектроды" размещены рядом с активными электродами для создания между ними электрического поля требуемой геометрии и напряженности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения противоэлектроды заземлены, но это необязательно. Например, при поддержании на противоэлектродах положительного потенциала относительно земли, но значительно меньшего, чем положительный потенциал на активных электродах, снижается частота соударений капель с противоэлектродами и, соответственно, уменьшается сопротивление потоку. Противоэлектроды могут быть специально сконструированы для этой цели, или ими могут быть имеющиеся в выхлопном патрубке турбины раскосы, если они размещены нужным образом, или можно дополнительно устанавливать электропроводные элементы (стержни, трубы, проволоку и т.п.). В примере 5 пять заземленных коронных проводных электродов служат противоэлектродами, а стенки выхлопного патрубка турбины, соседние с двумя крайними активными электродами, выполняют роль дополнительных противоэлектродов. В известных устройствах противоэлектродом служил трубный пучок, но в настоящем изобретении трубный пучок абсолютно исключается из перечня возможных противоэлектродов;
"ток к заземлению" - ток, проходящий от активных электродов через пар к заземленным противоэлектродам или к заземленным деталям конденсатора и трубного пучка, например теплообменным трубам или раскосам. Когда в формуле говорится, что "менее половины указанного сопутствующего тока протекает к указанному заземлению через указанные теплообменные трубы", "половина" относится к суммарному току, протекающему от активных электродов через пар. Если противоэлектроды не заземлены, но связаны с активными электродами через цепь высокого напряжения при холостом ходе, то блуждающие токи, текущие к заземлению через теплообменные трубы и раскосы, и образуют весь ток к заземлению;
"постоянное электрическое поле" - поле, сохраняющее постоянную полярность (без учета случайных или произвольных отклонений) и не меняющее ее периодически во времени. Это поле, созданное источником постоянной энергии высокого напряжения или естественным зарядным процессом, имеющим постоянную полярность. Тот же смысл у терминов "постоянный потенциал" и "постоянное напряжение";
двойная проводная спираль - проводная спираль меньшего радиуса, обмотанная вокруг цилиндрической опоры большего радиуса, как показано на фиг.3;
"заземление" - большая электрически сплошная масса металла, образующая основную часть электрогенерирующей установки (корпус турбины, корпус генератора, кожух конденсатора, конструктивные элементы, трубные пучки и т.п.), а также электрический потенциал этой массы металла;
"на пути потока" - положение между последней ступенью турбины и трубным пучком конденсатора, но не на поверхности трубного пучка. В формуле физическое различие между электрическим полем и трубным пучком отмечается тем, что электрическое поле создается между по меньшей мере одним противоэлектродом, которым не может быть трубный пучок. Поле, создаваемое при участии противоэлектрода, не являющегося трубным пучком, проводит к заземлению через трубный пучок менее половины сопутствующего потока;
"нагреваемые высоковольтные изоляторы" охватывают любую из конструкций, приведенных в связанной заявке на выдачу патента США или в патенте России 2006081, или любой другой тип высоковольтного изолятора, сохраняющего изолирующую способность во влажной среде за счет поддержания изолирующего элемента при высокой температуре. Некоторые из таких изоляторов нагреваются за счет подвода внешней энергии и требуют питающих проводов, другие нагреваются токами утечки в землю и не требуют специальных питающих проводов;
"внутренняя конденсация" - конденсация водяных паров, происходящая на удалении от твердой поверхности, например образование капли воды за счет конденсации водяных паров на соответствующем зародыше в потоке влажного пара;
"большой электрический потенциал" - значение или интервал значений, характерное для группы активных электродов. Эта величина составляет единицы или десятки киловольт относительно заземления любого знака, например, около +20 кВ пост. в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения. Если активные электроды питаются от внешнего источника энергии высокого напряжения, они, как правило, все имеют одинаковый потенциал, однако возможно использование устройства, в котором активные электроды имеют различные потенциалы. Если активные электроды приводятся в действие заряженными каплями в отходящем паре турбины, то точная величина потенциала у каждого электрода будет различной;
"линейный коронный электрод" - коронный электрод, в котором опорным элементом служит стержень, полоса, линейная экструдированная форма, труба, шнур, кабель, провод или другой гибкий или жесткий продолговатый элемент;
"выработка энергии" - полезная работа, производимая паровой турбиной. Обычно речь идет об электрической энергии, но это может быть и механическая энергия, если она используется, как таковая, например в судовых двигательных установках;
"заданное значение" средней напряженности электрического поля, созданного большим электрическим потенциалом, выбирается так, чтобы обеспечить оптимальную работу устройства и способа, и определяется опытным путем. Опыты по определению этого значения могут проводиться на стадии проектирования, при наладке устройства, либо периодически или непрерывно в ходе эксплуатации устройства с помощью ручных или автоматизированных процедур;
"температура насыщения" - температура, при которой водяные пары при данном давлении находятся в равновесии с жидкой фазой, является функцией давления;
"источник постоянной энергии высокого напряжения" - источник энергии, работающий в киловольтном диапазане. Предпочтительно вырабатываемая энергия фильтруется для получения близкой к плоской формы волны, но это не обязательно; полнопериодный или полупериодный выпрямленый ток может также использоваться для питания активных электродов;
"питающий пар" может принимать летучие основания к питающей воде, конденсату, подпиточной воде или в других местах водного цикла генерирующей установки;
"по существу соплоскостное" относится к размещению линейных электродов в воображаемой плоскости, при котором расстояние, перпендикулярное плоскости раздела соседних электродов, меньше расстояния, параллельного плоскости раздела соседних электродов;
"паровая генерирующая установка" обычно генерирует электроэнергию, но может служить и для непосредственно используемой механической энерги, например в судовых или промышленых двигателях;
"по существу полное сечение" означает создание электрического поля, охватывающего максимально возможное сечение выхлопного патрубка турбины. В некоторых местах сечения, например там, где подвесные изоляторы отсекают стенку выхлопного патрубка от активного электрода, поле может быть слабым или вовсе отсутствовать;
"отходящий пар турбины" в формуле означает влажный пар, входящий из турбины через ее выхлопной патрубок в конденсатор;
"выхлопной патрубок турбины" - соединительный элемент между турбиной и конденстором, обычно имеет криволинейную трубчатую форму, но возможны и другие конфигурации;
"нежелательные электрические разряды" - искры, дуги или подобные разряды, препятствующие стабильной работе устройств или закорачивающие высокое напряжение, подаваемое на активные электроды;
"летучие основания" - аммиак, гидразин, морфолин, другие амины и другие соединения, летучие при температурах в котле, придающие воде щелочность и используемые при обработке летучими основаниями оборотной воды.

А - площадь щупа, обтекаемого потоком пара,
с - сумарная концентрация элекктролита в конденсате,
d_Rem - толщина воды, удаленной при отделении капель от лопаток турбины,
d_S - расстояние от плоскости сдвига до твердой поверхости лопатки турбины,
E_av - средняя напряженность электрического поля,
Ем - напряженность поля пробоя,
f - частота переменного электрического поля,
f_max - максимальная частота, при которой переменное электрическое поле еще функционирует примерно так же, как и постоянное электрическое поле,
l_Gnd - ток к заземлению от заземленного электрода,
k_b - постоянная Больцмана = 1,38066•10^-16 эргК^-1,
L_TN - перепад давления в выхлопном патрубке турбины,
M_w- молекулярный вес воды =18,015 г/моль^-1,
N₀ - число Авогадро = 6,022•10²³ моль^-1,
Р - давление,
P_в - противодавление турбины,
P_CN - статическое давление в конденсаторе непосредственно над трубными пучками,
P_sat(T) - давление равновесия насыщения воды при Т,
P_TE - статическое давление в отходящем паре турбины,
Q - заряд капли жидкости,
R_c - радиус критического ядра (капелька воды с R_n > R_c будет расти и служить ядром конденсации),
R_i - типичный радиус капель, выходящих из турбины,
R_n - радиус капельки, образовавшейся при дроблении заряженной Капли,
S = P/P_sat (Т) - отношение насыщения,
Т - абсолютная температура в градусах Кельвина,
T_s,CN - температура насыщения (т.е. температура по влажному термометру), измеренная в конденсаторе непосредствено над трубными пучками,
t_s,TE - температура насыщения (т.е. температура по влажному термометру), измеренная в отходящм паре турбины вблизи ее выхода,
Δt - продолжительность измерения,
V - скорость потка пара,
V_f - удельный объем жидкой фазы,
V_g - удельный объем паровой фазы,
X_f - массовая доля жидкой фазы во влажном паре,
γ - поверхностное напряжение воды,
1/4πε₀ = 9×10⁹Нм²×кул^-2 = 9×10¹⁸дин×cм²×кул^-2,
1/К - толщина диффузного двойного слоя, т.е. плотность заряда двойного слоя уменьшается как ехр(-кх), где х расстояние от твердой поверхности,
ρ - плотность воды,
σ_DL - заряд в диффузном двойном слое на едиицу плотности поверхности,
∑_f - средняя плотость заряда в жидкой фазе,
∑_fg - средняя плотность заряда во влажном паре,
τ_d - время, необходимое для начала распада капли в электрическом поле,
τ_e - время пребывания капли в сильном электрическом поле.

Принцип работы
Процесс внутренней конденсации в отходящем паре турбины требует соответствующих зародышей, например капелек воды. Обычно в отходящем паре содержится 10 маc.% жидкой фазы. Практически вся жидкая фаза отходящего пара турбин состоит из немногих крупных капель воды, диаметр которых превышает 0,001 см. Большой размер капель объяясняется механизмом их образования. Капля отрывается от жидкой пленки, имеющей место на лопатках турбины, когда силы, отрывающие каплю (центробежная сила и импульс потока пара), превышает силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю на поверхности лопатки. Относительно малое количество капель воды, выходящих из турбины, и ограниченная площадь их поверхности делают их малоэффективными в качестве зародышей внутреней конденсации.

Проводились опыты на генерирующей установке, описанной в примере 5. Конденсат содержит 500 мкг/л аммиака и имеет рН 9,1 при комнатной температуре. По способу, описанному в примере 1, установили, что влажный пар в выхлопном патрубке турбины имеет положительный заряд с кажущейся плотностю ≅10^-9 коуль/см³ Поскольку сухой пар электрического заряда (Loeb, 1958), весь заряд влажного пара несут капли воды.

В литературе описано несколько механизмов образования статического заряда в каплях жидкости ( например, (Loeb, 1958). В данном случае разделение заряда скорее всего происходит за счет ионного равновесия между металлической поверхностью лопаток турбины и конденсатом. Металлическая поверхность лопаток турбин покрыта тонким слоем оксида металла, обладающего слабокислыми свойствами, Поверхность реагирует с аммиаком конденсата, теряет протоны и тем самым приобретает отрицательный поверхностный заряд. Этот отрицательный заряд уравновешивается ионами аммония (NH₄ ⁺) в жидкости, соседствующей с металлической поверхностью, и образуется диффузный двойной слой. Поскольку конденсат разбавлен, положительный диффузный заряд простирается на некоторое расстояние в жидкую фазу. Когда капли жидкости срываются с лопаток турбины, они уносят наружную часть диффузного двойного слоя. Тем самым капля приобретает положительный заряд. В примере 3 представлены и показаны уравнения, описывающие эту модель процесса разделения заряда и позволяющие прогнозировать плотность заряда во влажном паре, совместимую со значениями кажущейся плотности заряда, определенными на электростанции.

В отсутствие внешнего электрического поля капля воды с радиусом R_i, несущая заряд Q, становится неустойчивой, если удовлетворяется условие Рэлея (Григорьев и Ширяева, 1989; Taylor, 1964):
W = Q²/64π²ε₀γR³₁>1 (2)
Когда W>1, электростатическая сила превышает противодействующую силу поверхностного натяжения, на противоположных полюсах капли возникают конические острия, с которых выбрасываются струи мелких капелек. Незаряженная капля распадается под воздействием электрического поля, когда удовлетворяется условие Тейлора (Taylor, 1964):
Y = 4πε₀E²R₁/γ>2,6 (3)
Чтобы разрушить незаряженную каплю радиусом 0,001см, необходимо Е >126 кВ/см, что немного больше напряженности поля пробоя во влажном паре; на практике наложенное электрическое поле может разрушать только заряженные капли.

Гриогорьев и Ширяева (1989) представили условие устойчивости заряженной капли во внешнем электрическом поле, которое можно записать как:
-(W-1)²+0,281YW+0,092Y+0,11Y²>1 (4)
Если Y=0, неравенство (4) превращается в неравенство (2), а если W=0,99, капля становится неустойчивой при Е>1,24. кВ/см, и с ее конца выбрасывается струей множество мелких капелек. Образующиеся капельки, как правило, на два порядка величины меньше исходной капли и могут в свою очередь разбиваться на еще более мелкие капельки.

Время τ_d, необходимое, чтобы капля вытянулась в длину в направлении локального электрического поля и начала разбиваться, составляет (Григорьев и Ширяева, 1989)
τ~(ρR³_i/γ)^0,5 (5)
Если R_j=0,001 см, то τ_d составляет 4•10 ^-6см. Скорость течения влажного пара в выхлопном патрубке турбины вблизи трубного пучка равна 40 м/с, значит, капля пройдет 0,001 см за 4 мкс. Поскольку зона сильного электрического поля составляет около 10 см по вертикали, времени для разрушения капли должно быть достаточно.

Соотношение между отношением насыщения и соответствующим радиусом критического ядра дается выражением
ln S = ln[P/P_sat(T)] = 2γM/N₀ρk_BTR_c (6)
В примере 2 уравнение 6 показывает, что при разрушении заряженных капель воды в электрическом поле образуется зародыш с радиусом, значительно большим, чем R_c, которые будут расти и интенсифицировать процесс внутренней конденсации.

Таким образом, разрушение немногих крупных капель, выходящих из турбины, на множество мелких капелек оказывает серьезное положительное воздействие на скорость внутренней конденсации.

Конструктивные решения.

Хорошо изолированный электрод, установленный внутри выхлопного патрубка турбины может создавать потенциал относительно заземления до 10 кВ и более за счет накопления зарядов от падающих на него заряженных капель. При правильном размещении заряженных и заземленных электродов такой потенциал может оказаться достаточным для разрушения заряженных капель во влажном паре без подвода энергии извне. Средняя плотность заряда и скорость течения влажного пара меняются в зависимости от эксплуатационных условий. Значит, соответственно будет меняться и электрический потенциал, создающийся на изолированном электроде, и его способность разрушать капли воды во влажном паре. Поэтому предпочтительно иметь внешний источник энергии, способный поддерживать на электроде заданный потенциал, более высокий, чем "естественный" потенциал, создаваемый без подачи внешней энергии. Предпочтительно, чтобы знак потенциала, создаваемого при подаче внешней энергии на активные электроды, был таким же, как знак потенциала, естественно получаемого от заряженных капель воды.

Чтобы разрушить как можно больше капель во влажном паре, необходимо иметь сильные электрические поля практически в полном сечении выхлопного патрубка турбины. Эти поля можно получить, устанавливая активные электроды попеременно с заземленными и параллельно им в плоскости, проходящей через полное сечение выхлопного патрубка. При рабочем напряжении 10-20 кВ и расстоянии между электродами 10-20 см получается средняя напряженность поля около 10 кВ/см.

Сильное электрическое поле должно находиться на некотором расстоянии от трубного пучка, чтобы мелкие капельки после своего образования имели время послужить зародышами конденсации. Также предпочтительно устанавливать электроды, создающие электрическое поле, достаточно далеко от трубного пучка и других заземленных деталей выхлопного патрубка турбины и конденсатора, чтобы избежать существенного искажения электрического поля между электродами за счет взаимодействия с соседними заземленными деталями.

Роль электрических разрядов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения электрические поля создаются проводными коронными электродами. Когда приложенный к активным электродам потенциал достаточно велик для получения средней напряженности поля, достаточной для разрушения заряженных капель воды между электродами, напряженность в непосредственной близости к электродам будет выше в несколько раз, и на электродах может быть получен электрический разряд. Этот разряд связан с разрушением заряженных капель воды, как описано Григорьевым и Ширяевым (1989). Он может играть благоприятную, но не решающую роль в способе.

Если потенциал, приложенный к активным электродам, достаточно велик, чтобы получить E>E_bd на полпути между электродами, может получиться другой тип разряда - искры между электродами или дуга. Поскольку электрическая дуга имеет отрицательное сопротивление, напряжение в ней упадет, ток возрастет, и большая часть энергии высокого напряжения будет поглощена собственным сопротивлением дуги. В результате потенциал на отдельных электродах упадет настолько, что окажется недостаточным для разрушения заряженных капель воды. Если источник энергии высокого напряжения недостаточно мощен для поддержания дуги, она быстро гасится и устройство начинает скоротечный цикл: нет разряда, коронный разряд, искры, дуга, нет разряда, коронный разряд и т. д. В таком режиме устройство почти или совсем не оказывает благоприятного воздействия на конденсацию пара.

Требуемое рабочее напряжение и межэлектродное расстояние.

Максимальное напряжение, которое может быть приложено к электроду внутри выхлопного патрубка турбины, ограничивается токами утечки в изоляторах, к которым он присоединен. При использовании нагреваемых изоляторов, способных работать при 100% влажности (как описано в вышеуказанной заявке США или в патенте России 2006081) к изолированному проводу, проходящему внутри выхлопного патрубка турбины в 1,5-2 м от ее последней ступени, можно прикладывать напряжение около 20 кВ. Дальнейшее увеличение напряжения ограничивается проводимостью влажного пара, даже если используются изоляторы без утечки.

Напряжение, приложенное к активным электродам, не должно вызывать образование искр или дуги между активными электродами и заземленными электродами или близлежащими заземленными деталями выхлопного патрубка турбины или конденсатора. Параметры отходящего пара турбины в установке, где проводились наши исследования: 41^oС, 59 мм рт. ст. влажность 10%, скорость течения вблизи конденсатора ≈40 м/с. Экспериментально установлено значение средней напряженности электрического поля, вызывающей разрушение капли при таких условиях, E_bd= 2 кВ/см. При средней напряженности поля ≈1,5 кВ /см разрушения не происходит.

Влажный пар в нашей установке обычно имеет кажущуюся плотность заряда ≈10^-9к•см^-3 и в большинстве случаев она не была меньше 2•l0^-10к•cм^-3. Минимальная средняя плотность поля, необходимая для разрушения капель воды радиусом 0,001 см во влажном паре с кажущейся плотностью 2•10^-10к•cм^-3при 41^oС составляет около 0,6 кВ/см; экспериментально установлено, что это минимальная средняя напряженность поля, при которой можно в этих условиях получить прирост выработки энергии. Поэтому потенциал электрода регулируется так, чтобы обеспечить среднюю напряженность электрического поля 1 кВ/см, что позволяет эффективно и с гарантией безопасности использовать способ. Поскольку электроды отстают друг от друга на расстояние 20 см, такая средняя напряженность поля получается приложением к активным электродам потенциала 20 кВ.

Делать расстояние между электродами заметно меньше 20 см нежелательно, поскольку при уменьшении расстояния возрастает количество требуемых электродов, соответственно увеличивается стоимость установки и сопротивление потоку пара. Нежелательно также ставить электроды на расстояние существенно дальше, чем в 20 см друг от друга, потому что соответственно увеличивается потребляемое электродами напряжение и превышается предел безопасной работы изоляторов. Кроме того, при подаче на электроды напряжения свыше 20кВ вблизи электродов происходят очень сильные разряды, и даже при средней напряженности поля 1кВ/см может иметь место искрение. Наконец, придется увеличивать необходимый зазор между активными электродами и заземленными деталями выхлопного патрубка трубы пропорционально межэлектродному расстоянию, так, что будет все труднее найти удобное место для установки электродов внутри выхлопного патрубка.

Напряженность поля пробоя влажного пара будет падать с увеличением давления; например при 30 мм рт. ст. достаточные результаты дадут Е_bd≈1 кВ/см и E_av≈0,8 кВ/см. Поскольку давление может изменяться, подаваемое на электроды напряжение необходимо тщательно и постоянно регулировать. Наличие искрения или дуги устанавливается по значительным колебаниям напряжения и тока на электродах. На практике проще всего найти оптимальное напряжение на электроде, понемногу наращивая его до появления искр, а затем снизив на несколько процентов. Эту процедуру настройки можно повторять периодически и автоматически в ходе эксплуатации устройства.

Наиболее широкий практический интервал E_av для обычных конденсаторов находится в пределах 250-3000 В/см и охватывает допустимые значения E_av, соответствующие всему интервалу давлений в конденсаторах, имеющих место на практике. (Однако в конденсаторе теплофикационной установки давление обычно превышает 1 атм, что позволяет вести работу при еще более высоких значениях _av). Более узкий интервал 5000-2000 В/см охватывает значения, характерные для большинства паротурбинных установок. Часто оказывается достаточным еще более узкий интервал 800-1200 В/см.

Если на активных электродах потенциал развивается от заряженных капель в потоке пара без подвода внешней энергии (фиг. 1), может оказаться целесообразным помещать электроды ближе чем на 20см друг от друга. При меньшем межелектродном расстоянии положительный потенциал, создаваемый на активных электродах, обеспечит достаточную напряженность поля между электродами, чтобы разрушать заряженные капли воды.

Наконец, минимальное расстояние, отделяющее активный электрод от трубного пучка, должно быть не меньше расстояния l между соседними электродами, а предпочтительно не меньше 1,5l. В предпочтительном варианте осуществления изобретения l= 20 см, значит, указанное расстояние должно быть не меньше 30 см, а фактически в демонстрационной установке по примеру 5 оно составляет 60 см. Достаточно большое расстояние дает время мелким капелькам вырасти, устраняет вероятность пробоя между активными электродами и трубным пучком и сводит к минимуму искажения поля между электродами, вызванные электростатическими взаимодействиями с трубным пучком. В этом случае доля тока, уходящая в землю через теплообменные трубы, составляет значительно меньше половины. Те же минимальные и предпочтительные зазоры должны быть выдержаны по отношению к другим заземленным деталям конденсатора и трубного пучка, за исключением тех, что служат противоэлектродами.

Требуемые характеристики электродов.

Во избежание образования искр или дуги между соседними электродами необходимо пользоваться электродами с максимально возможным превышением напряжения пробоя над минимальным напряжением коронного разряда. Чтобы обеспечить такой запас надежности, электроды следует, проектировать так, чтобы кривая ток - напряжение была как можно меньше крутой и обеспечивала работу электрода в широком интервале напряжений. В этом случае колебания в расстоянии между электродами не вызовут серьезных различий в силе тока разряда и длине электрода. Желательное отношение ток - напряжение легко обеспечивается с помощью короткого проводного электрода, в котором к опорному шнуру или проводу подключена двойная проволочная спираль с множеством острых кромок, которые концентрируют напряженность поля и создают коронный разряд при значительно меньшем напряжении, чем требуется для образования искр или дуг (фиг.5, кривая 29).

К электроду с гладкой поверхностью обязательно будут прилипать капли воды. Капли концентрируют напряженность электрического поля, способствуя локализованным разрядам. Подобные разряды, зародившись в каплях воды, крайне неоднородны и нестабильны, ухудшая положительное воздействие на конденсацию и благоприятствуя электрическим пробоям в виде искр или дуги.

Правильно подобранный коронный электрод позволяет избежать этих проблем, поскольку множество острых кромок и точек, служащих для имитирования коронного разряда, значительно превосходит последствия от произвольного распределения относительно крупных капель воды.

Электрод, помещенный в выхлопной патрубок паровой турбины подвергается воздействию пароводного потока, несущего большое количество заряженных капель воды и многочисленные абразивные частицы. Это в основном окислы железа (Fe₂O₃, Fe₂O₄ и др.), а также частицы металла, оторванные эрозией от рабочих поверхностей турбины и ее выхлопного патрубка.

Поток влажного пара в выхлопном патрубке турбины пульсирует с частотой от нескольких герц до нескольких килогерц, и электроды испытывают вибрацию на той же частоте. Конструкция электродов должна обеспечивать достаточный срок службы в физической среде, существующей в выхлопном патрубке турбины, включая соударения с заряженными каплями и твердыми частицами, пульсирующий поток в широком диапазоне частот. Как будет показано ниже, электрод с навитой двойной проволочной спиралью, показанный на фиг.3, удовлетворяет этим требованиям.

Воздействие на движение капель жидкости.

Поскольку влажный пар, выходящий из турбины, несет электрический заряд, электроды, помещенные внутри выхлопного патрубка турбины, могут серьезно повлиять на динамику потока в выхлопном патрубке. Сильнее всего затрагиваются капли воды во влажном паре, потому что они несут электрический заряд. Положительно заряженные капли в потоке отталкиваются от положительно заряженного электрода и притягиваются к заземленному электроду. При одинаковой начальной траектории капля с большим отношением массы к заряду отклоняется сильнее, чем с меньшим отношением.

Таким образом, заряженные капли разделяются по размерам и величине заряда. Капли, которые отталкиваются слабее и подходят ближе к положительно заряженному электроду, обладают наименьшим отношением массы к заряду; они подвергаются воздействию относительно сильного электрического поля вблизи электрода, что способствует их разрушению. Таким образом, изменения в траектории капель будут стремиться сгладить различия в отношении массы к заряду; они подвергаются воздействию относительно сильного электрического поля вблизи электрода, что способствует их разрушению. Таким образом, изменения в траектории капель будут стремиться сгладить различия в отношении массы к заряду.

Опыт, описанный в примере 4, показал заметное влияние электрического поля изолированного электрода на траектории капель воды.

Влияние гидродинамики потока.

Движение паровой фазы сочетается с движением капель за счет трения, а электрическое воздействие на движение капель также оказывает сильное влияние на движение паровой фазы. В ходе полномасштабной демонстрации изобретения, описанной в примере 5, было отмечено, что величина колебаний динамического давления вблизи трубных пучков сократилась более чем в два раза, что указывает на уменьшение турбулентного движения потока.

Электроды в предпочтительном варианте осуществления изобретения образуют параллельную решетку, охватывающую, по существу, полное сечение выхлопного патрубка турбины. Параллельные электроды подобно гребенке выпрямляют турбулентные завихрения в потоке, проходящим между электродами. Некоторый объем положительно заряженной жидкости, движущийся в сторону положительно заряженного электрода с горизонтальной составляющей скорости, отклоняется в сторону более вертикальной траектории, что позволяет ему удерживаться дальше от положительно заряженного электрода. При этом отбирается энергия от горизонтальных движений текучей среды, связанных с турбулентными завихрениями, и передается устойчивому течению параллельно оси выхлопного патрубка турбины. Размеры этого эффекта продемонстрированы опытом, поставленным в примере 5.

Снижение турбулентности в потоке пара уменьшает L_TN и Р_B, что еще сильнее повышает степень извлечения энергии.

Постоянный и переменный потенциал.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения к активным электродам прикладывается значительный постоянный потенциал. Вплоть до определенной частоты переменный потенциал оказывает аналогичное воздействие на протекание влажного пара между электродами. При расстоянии между соседними линейными электродами, равном l, вертикальная протяженность участка с высокой напряженностью электрического поля составляет около 0,5l. Влажный пар, проходя между электродами, подвергается воздействию сильного электрического поля в течение времени
τ = 0,5l/V (7)
Если частота приложенного потенциала удовлетворяет неравенству
f<2V/l = 1/τ_e (8)
то влажный пар находится в сильном электрическом поле менее одного периода колебаний потенциала; значит, некоторый объем влажного пара, проходя между электродами, подвергается воздействию скорее постоянного, нежели переменного потенциала.

Скорость потока в выхлопном патрубке турбины может превышать скорость звука в паре, которая равна около 430 м/с, следовательно, при l≈0,2 м
f_max=2V/l=4300c^-1=4,3 кГц (9)
Если эта частота превышается, между электродами появится крупный пространственный заряд, способствующий развитию нежелательных электрических разрядов, которые делают невозможным осуществление способа (Loeb, 1965, pp. 569-571). В формуле изобретения указана предельная частота 5 кГц, учитывающая несколько меньшее межэлектродное расстояние. При меньшей скорости потока максимальная допустимая частота будет меньше. В опыте, описанном в примере 5, скорость потока пара у электродов составляет 58 м/с; в этом случае f_max=580 Гц,
но в формуле указана промежуточная величина 1 кГц с учетом уменьшенного межэлектродного расстояния. На практике легче всего подавать сетевой ток с линейной частотой 50 или 60 Гц.

Хотя до определенной частоты можно прикладывать переменный потенциал, лучше пользоваться постоянным, поскольку он создает одинаковые электрические условия во всем потоке пара и не создает колебаний ни в потоке, ни на электродах, в отличие от переменного потенциала.

Влияние условий эксплуатации.

Поскольку способ предусматривает разрушение заряженных капель воды, они должны присутствовать в паре, выходящем из турбин. При нормальных условиях эксплуатации отходящий пар на тепловой электростанции, не вырабатывающий тепло, содержит 5-10 вес.% жидкой фазы. Под действием центробежной силы истечение пара стремится удалить непропорционально большое количество влаги из отходящего пара турбины, и в крайних случаях пар, остающийся на выходе турбины, может сделаться практически сухим, и осуществление способа станет невозможным (пример 7).

Основное воздействие давление пара оказывает на напряженность поля пробоя влажного пара Е_bd. Она падает очень резко по сравнению со снижением давления; поэтому максимальное напряжение, которое можно прикладывать к активным электродам, окажется меньше при более низких давлениях, а достигаемый при использовании способа эффект может быть ограничен при очень низком противодавлении, например при работе с пониженной нагрузкой в зимнее время. Это ограничение маловероятно при полной нагрузке или при частичной нагрузке в теплую погоду.

Воздействие степени загрузки блока на способ невелико, оно скорее проявляется через воздействие недогрузки на противодавление.

Воздействие химического состава воды.

Поскольку электрический заряд капель воды возникает от подвижного потенциала, возникающего, когда жидкая пленка конденсата обтекает поверхности лопаток турбины и отделяется от их кромок, химический состав конденсата является важным параметром. Когда питающая вода энергоблока включает аммиак или летучий амин, концентрация иона гидрооксида в конденсате довольно велика, металлические поверхности внутри турбины несут значительный отрицательный заряд, а капли воды во влажном паре получают положительный заряд из диффузного двойного слоя. При использовании различных значений для важных параметров простая модель (пример 3, случай 1) прогнозирует правильное значение среднего заряда во влажном паре энергоблока, использовавшемся в наших опытах.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ЧЕРТЕЖИ.

На фиг.1 показано устройство, содержащее электроды и изоляторы, для интенсификации конденсации пара, работающее за счет энергии электрического заряда во влажном паре без подвода внешней энергии.

Фиг. 2 показывает устройство, содержащее электроды и изоляторы, для интенсификации конденсации пара, снабженное также источником внешней энергии.

Фиг. 3 показывает конструкцию коронного электрода, в котором двойная проволочная спираль намотана вокруг несущего шнура.

Фиг.4 показывает конструкцию несущего шнура, применяемого в электроде по фиг.3 и содержащего шнур из стекловолокна с покрытием из силиконового каучука.

Фиг.5 - характеристика ток - напряжение простого цилиндрического электрода, обмотанного двойной проволочной спиралью.

Фиг.6 - схема установки для демонстрации способа, описанной в примере 5.

Фиг. 7 показывает воздействие мощного постоянного потенциала, приложенного к активным электродам, на температуру насыщения.

Фиг. 8 показывает воздействие мощного постоянного потенциала, приложенного к активным электродам, на давление.

Фиг. 9 показывает воздействие мощного постоянного потенциала, приложенного к активным электродам, на выработку электроэнергии.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ НА ЧЕРТЕЖАХ.

Фиг.1
3 нагреваемые подвесные изоляторы,
32 выхлопной патрубок турбины (показан в сечении),
33 направление течения влажного пара,
34 активные электроды,
35 заземленные электроды.

Фиг.2
3 нагреваемые подвесные изоляторы,
7 нагреваемые проходные изоляторы,
32 выхлопной патрубок турбины (показан в сечении),
33 направление течения влажного пара,
34 активные электроды,
35 заземленные электроды,
38 источник энергии высокого напряжения.

Фиг.3
21 несущий шнур,
22 двойная проволочная спираль,
23 соединительный провод.

Фиг.4
24 шнур из стекловолокна,
25 оболочка из силиконового кожуха.

Фиг.5
28 отношение ток - напряжение для гладкого цилиндрического электрода
29 отношение ток - напряжение для коронного электрода, включающего двойную проволочную спираль
30
Фиг.6
31 выходная часть турбины,
32 выхлопной патрубок турбины,
33 направление потока влажного пара,
34 активные электроды,
35 заземленные электроды,
36 трубные пучки конденсатора,
37 конденсатный насос,
38 источник энергии высокого напряжения,
39 датчик статического давления,
40 датчик динамического давления,
41 датчик температуры (T_S,CN),
42 датчик температуры (T_S,TE).

Фиг.7
50 температура насыщения у выхода турбины (T_S,TE),
51
52 температура насыщения над трубными пучками конденсатора (T_S,CN),
54 промежуток времени, когда подавалась энергия высокого напряжения.

Фиг.8
54 промежуток времени, когда подавалась энергия высокого напряжения,
60 давление в отходящем паре турбины (Р_TE,T),
62 давление над трубным пучком конденсатора (Р_CN,T),
64 давление над трубным пучком конденсатора, измеренное ртутным манометром.

Фиг.9
54 промежуток времени, когда подавалась энергия высокого напряжения,
70 выработка энергии.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

На фиг.1 изображено пассивное устройство из электродов и изоляторов для интенсификации конденсации пара, приводимое в действие электрическим зарядом во влажном паре без подачи извне энергии высокого напряжения. Нагреваемые подвесные изоляторы 3 установлены в выхлопном патрубке турбины 32 (показана в сечении), а между ними подвешены активные электроды 34. Заземленные электроды 35 размещены между активными электродами 34 и присоединены к точкам заземления на каждом конце. Активные 34 и заземленные 35 электроды размещены параллельно друг другу примерно в одной плоскости на одинаковых расстояниях l один от другого. Решетка из электродов заполняет по существу все сечение выхлопного патрубка турбины 32, и большая часть потока влажного пара 33 проходит между электродами. Нагреваемые изоляторы 3 могут нагреваться внешней энергией или токами утечки высокого напряжения; в последнем случае внешняя энергия не требуется. Предпочтительно и активные 34, и заземленные 35 электроды являются проводными коронными электродами.

На фиг.2 представлено активное устройство из электродов и изоляторов для интенсификации конденсации пара, питаемое от внешнего источника 38 энергии высокого напряжения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения противоэлектроды заземлены, но могут использоваться и противоэлектроды, защищенные от заземления, на которых поддерживается иной потенциал, чем на заземлении. Один конец каждого активного электрода 34 прикреплен к нагреваемому подвесному изолятору 3, а другой - к нагреваемому проходному изолятору 7, обеспечивающему электрическое соединение с источником 38 энергии высокого напряжения. Прочие элементы на фиг.2 те же, что и на фиг.1. В предпочтительном варианте осуществления изобретения знак потенциала, подаваемого на активные электроды, совпадает со знаком заряда капель воды.

Расстояние l между заземленными электродами 35 и активными электродами 34 предпочтительно составляет около 20 см, а минимальное расстояние, отделяющее активные электроды 34 см заземленных деталей выхлопного патрубка турбины или конденсатора, должно быть не менее 1,5l.

На фиг. 3 показана конструкция электрода, состоящего из несущего шнура 21, двойной проволочки спирали 22 и соединительной проволоки 23. Несущий шнур обеспечивает механическую опору и может быть выполнен из коррозионностойкой стали или иного металла твердостью не ниже НВ=145-200. Двойная спираль 22 выполнена из неизолированной проволоки или другой упрочненной проволоки из материала твердостью не ниже НВ=145-200.

Соединительная проволока 23 предотвращает провисание и сдвиг двойной проволочной спирали 22. Соединительная проволока 23 может быть изготовлена из проволоки состава, подобного двойной проволочной спирали 22.

Несущий шнур может также представлять собой шнур 24 из стекловолокна, помещенный в оболочку 25 из силиконового каучука, как показано на фиг.4. Несущий шнур может быть изготовлен из множества других металлических проволок или неметаллических шнуров.

На фиг.5 сравниваются кривые ток - напряжение для электрода 28, представляющего собой голый металлический стержень, и другого электрода 29 - стального стержня, обмотанного стальной проволочной спиралью, как показано на фиг.3. Эти данные получены способом, описанным в примере 6.

На фиг. 6 схематически изображены выходная часть паровой турбины 34, выхлопной патрубок турбины 32 и конденсатор, содержащий трубные пучки 36. Здесь представлена паротурбинная установка, служившая для демонстрации технологии, описанной в примере 5. Активные электроды 34 чередуются с заземленными электродами 35. Источник 38 подает энергию высокого напряжения на активные электроды 34. Влажный пар 33 проходит между чередующимися активными электродами 34 и заземленными электродами 35. Датчик статического давления 39, датчик температуры насыщения 41 и датчик динамического давления 40 регистрируют соответствующие параметры непосредственно над трубными пучками 36 конденсатора. Датчик температуры насыщения 42 регистрирует температуру в выхлопном патрубке турбины. Конденсатный насос 37 откачивает конденсат из конденсатора.

Фиг.7, 8, 9 будут описаны при рассмотрении примера 5.

РАБОТА УСТРОЙСТВА.

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом.

Заряженные капли в потоке влажного пара 33 соударяются с активными электродами 34, передавая им напряжение U относительно заземленных электродов 35. В зазорах между активными 34 и заземленными 35 электродами наводится электрическое поле. Средняя напряженность электрического поля является функцией плотности заряда потока влажного пара 33 и других параметров. Если средняя напряженность электрического поля превышает 0,6 кВт/см, электрически заряженные капли воды при прохождении между электродами разрушаются, создавая при этом множество мелких заряженных капелек. Каждая такая возникшая капелька служит зародышем для внутренней конденсации. Нагреваемые высоковольтные подвесные изоляторы 3 позволяют создавать максимально возможное напряжение на активных электродах 34, обеспечивая максимальную эффективность устройства.

Отмечено, что изолированный электрод, установленный над трубными пучками конденсатора, приобретает потенциал относительно земли 3-10 кВ, тогда как при установке вблизи выхода турбины он приобретает потенциал 16 кВ. В последнем случае средняя напряженность поля при межэлектродном расстоянии 20 см составит 0,8 кВ/см, что достаточно для разрушения заряженных капель воды.

Устройство, изображенное на фиг.2, работает следующим образом.

Источник 38 высокого напряжения сообщает высокий потенциал активным электродам 34. Рабочее напряжение обычно выше того, которое естественным путем создается в пассивном устройстве по фиг.1. Работа этого устройства, по существу, не зависит как от режима работы генерирующего блока, как и от плотности заряда во влажном паре. Рабочее напряжение должно быть достаточным для разрушения заряженных капель, но не превышать напряженности поля пробоя в данной среде; нельзя допускать искрового или дугового разряда. Средняя напряженность электрического поля 1 кВ/см оптимальна для осуществления способа при давлении 59 мм рт. ст.; при более низких давлениях оптимальная напряженность поля может быть меньше.

При прохождении между электродами заряженные капли воды в потоке влажного пара 33 разрушаются на множество мелких заряженных капелек. Каждая капелька, образовавшаяся при распаде крупной капли, служит зародышем для внутренней конденсации.

Электроды, показанные на фиг.3, могут длительное время работать в среде выхлопного патрубка турбины, выдерживая удары абразивных частиц и вибрации. Поскольку несущий шнур 21 обмотан двойной проволочной спиралью, естественная частота колебаний электрода снижается, и электрод не реагирует на высокочастотные колебания в потоке пара. При соударении с твердыми частицами двойная проволочная спираль 22 пружинит, что предотвращает поломку.

Применение несущего шнура из стекловолокна с покрытием из силиконового каучука, показанного на фиг. 4, позволяет получить очень гибкий проводной электрод, который легко устанавливается и удобен в обращении, не скручивается и не защемляется.

Двойная проволочная спираль 22 создает электрическое поле с большой интенсивностью, окружающей относительно большую поверхность электрода. Отношение ток - напряжение для подобного электрода, определенное в лабораторных условиях, показано на фиг.5 в виде кривой 2 в сравнении с гладким цилиндрическим электродом (кривая 28). В то же время малый диаметр проволоки, образующей двойную спираль 22, и ее вибрация в потоке влажного пара препятствуют прилипанию к электроду крупных капель воды, что могло бы препятствовать надежной работе электрода.

РАБОТА УСТЮЙСТВА - ПРИМЕРЫ.

ПРИМЕР 1
В табл. 1 приведены значения переменных, используемых в выборочных расчетах.

Явную плотность заряда в потоке влажного пара измеряют, помещая туда электрический датчик с поверхностью А, подвергающейся воздействию потока пара. Ток от датчика стекает в землю через омметр. Явная плотность заряда в потоке пара дается выражением
∑_fg = I_Gnd/V•A (10)
Измерения обычно проводились с использованием одного из активных электродов 34 в качестве датчика. Значения, полученные таким путем, немного выше фактической плотности заряда в потоке пара, поскольку положительно заряженные капли отклоняются в сторону заземленного электрода; тем не менее эти измерения дают повторяющиеся и полезные результаты.

Значение кажущейся плотности заряда измерялось этим способом неоднократно на генерирующем блоке, описанном в примере 5, с одинаковым результатом ∑_fg≈10^-9 к•см^-3. Принимая R_i=0,001 см и подставляя эти величины в уравнение (2), получаем W= 1,3 с учетом неточности измерений ∑_fg и приблизительности принятого значения R, эта расчетная величина не имеет существенных отличий от 1.

ПРИМЕР 2
Крупная капля, выходящая из турбины, может иметь радиус 0,001 см. При прохождении через сильное электрическое поле эта капля может разбиться на 10⁴ мелких капелек радиусом ≈5•10^-5 см. Подставив эту величину и другие из табл. 1 в уравнение 6 получим lnS=0,002 - минимальное значение, при котором капли могут расти и служить зародышами. На самом деле минимальное значение lnS, вероятно, превышает 0,01, что соответствует r_с≤9,3•10^-6см. Таким образом, образующиеся капельки по меньшей мере в 5 раз крупнее критической величины зародыша и, следовательно, будут расти.

ПРИМЕР 3
Случай 1:
Если конденсат с рН 9,1 содержит из электролитов только гидроксид аммония, то общая концентрация электролита с≈10^-5М. По теории Дебая-Хюкеля толщина диффузного двойного слоя составит 1/k=10^-5cm (Verwey and Overbeek, 1948). В контакте со слабощелочным конденсатом поверхность металла приобретает небольшой отрицательный заряд, а в диффузном двойном слое присутствует положительный заряд равной величины. Если плотность ионизируемых гидроксильных групп на поверхности металла равна 10 нм^-2 и 5% этих гидроксильных групп диссоциированы, суммарный положительный заряд в диффузном двойном слое
δ_DL≈+0,5e•нм^-2 = +8•10^-6к•см^-2
Средняя плотность заряда в каплях воды, выходящих из турбины, составит

и средняя плотность заряда во влажном отходящем паре турбины будет равна

что согласуется с измеренной кажущейся плотностью заряда ≈10^-9к•см^-3
Случай 2:
Если в конденсате нет летучих оснований, единственным присутствующим электролитом будет диссоциированная вода (Н⁺ОН^-) при c≈10^-7M, pH≈7 и 1/к≈10^-4см. На поверхности лопаток турбины может образовываться небольшой заряд вследствие собственной кислотности или щелочности поверхности. В данном случае допустим, что поверхность слабоосновная и на ней возникает положительный поверхностный заряд +0,015е нм^-2, который уравновешен диффузным двойным слоем, состоящим из ионов гидроксида. В этом случае
σ_DL = -2,4•10^-7к•см^-2
∑_f = - 1,67•10^-4к•см^-3
∑_fg = -1,0•10^-9к•см^-3
Этот расчет показывает возможность сравнимой заряженности капель воды в отсутствие летучих оснований.

ПРИМЕР 4
Нижеследующий опыт показывает, что электрическое поле, связанное с изолированными электродами, может оказывать значительное воздействие на траектории заряженных капель во влажном паре и, следовательно, на динамику влажного пара в целом. Два изолированных электрода длиной 4,7 м устанавливают в одной плоскости поперек выхлопного патрубка турбины. Электроды размещены на 20 см выше заземленной решетки, расстояние между ними 80 см. Электрод 1 заземлен через омметр. В ходе работы турбины ток от электрода 1 к заземлению измеряют электродом 2, изолированным от заземления, а затем электродом 2, подключенным к заземлению. При заземлении электродом 2 ток от электрода 1 уменьшается на 20-30% в зависимости от заряда в потоке пара. Когда электрод 2 изолирован от заземления, он накапливает положительный заряд от заряженных капель в потоке пара, вследствие чего положительно заряженные капли отклоняются от электрода 2 в сторону заземленного электрода 1. Когда электрод 2 заземлен, заряженные капли соударяются с обоими заземленными электродами одинаково, и ток через электрод 1 уменьшается.

ПРИМЕР 5
Полномасштабное испытание устройства и способа интенсификации конденсации проводилось с использованием устройства, показанного на фиг.2 и 6. Опыт осуществлялся на электростанции ГЭС-2 системы "Харкивэнерго". Генерирующий блок, используемый для испытаний, включал однолопаточную конденсационную турбину 50 Гц модели ВК-50-2 производства Ленинградского Металлического завода номинальной мощностью 50 МВт и трехфазный генератор производства завода "Электросила". В ходе ремонта блока турбина была модифицирована, чтобы отводить пар среднего давления на отопление близлежащего поселка. Блок включал конденсатор модели 50-КТсС-3 с двумя горизонтальными трубными пучками сегментного типа. Выхлопной патрубок турбины не имеет диффузора. Номинальные проектные и рабочие параметры турбины и конденсатора приведены в табл.2.

Турбина перестраивалась и модернизировалась несколько раз, но конденсатор, крайне примитивное устройство, остался неизменным с момента пуска электростанции в 1930 г. Давление в конденсаторе всегда намного превосходило проектную величину.

Опыт проводился в зимний период, когда до 30% пара отводилось под промежуточным давлением на отопление.

Многочисленные параметры, зафиксированные в ходе испытаний, представлены в табл.3. Из них температуры насыщения T_S,TE и T_S,CN, замеченные в выхлопном патрубке турбины и конденсаторе над трубными пучками соответственно, и полная мощность L_G наиболее ярко демонстрируют положительный эффект способа и устройства.

Большинство данных получены от обычных контрольных приборов генерирующего блока, поэтому приводимые величины в основном не отличаются особой точностью, но достаточно показательны. Давления выше атмосферного замерялись манометрами Бурдона. Стрелка такого манометра дрожит в определенном диапазоне, и регистрируется узкий средний диапазон величин.

Полная вырабатываемая мощность l_G бралась со штатных ваттметров, которые по конструкции и мощности сравнимы с применяемыми на американских электростанциях.

Температуры насыщения T_S,TE и T_S,CN замеряются влажными термометрами в выхлопном патрубке турбины близ выхода турбины (датчик температуры 42 на фиг. 6) над трубным пучком (датчик температуры 41 на фиг.6). Полученные значения температур используются при расчете соответствующих статических давлений Р_TE и P_CN,T. Быстротекущий влажный пар соударяется с датчиком, часть его кинетической энергии теряется и статическое давление повышается, что ведет к росту и температуры насыщения. Применяемые термоколодцы и датчики температуры сконструированы так, чтобы свести к минимуму эту плюсовую погрешность, и приводимые значения T_S,TE и T_S,CN считаются надежными.

Датчик давления 39 подключен к простому вертикальному ртутному манометру и дает независимое показание давления над трубным пучком P_CN,m Из-за простоты прибора и возможного наличия конденсата в соединительной трубке Р_CN,m менее точно чем Р_CN,T, и последнее следует считать наиболее точным определением статического давления над трубным пучком. Однако P_CN,m дает независимое подтверждение положительного воздействия способа на давление над трубными пучками.

Динамическое давление над трубными пучками Р_dуn замерялось трубкой Пито (датчик давления 40 на фиг.6), соединенной с водяным манометром.

Конструкция устройства для интенсификации конденсации, использовавшегося при этих испытаниях, соответствует устройству, изображенному на фиг.2 и 6. Устройство содержит 6 активных электродов 34, чередующихся с пятью заземленными электродами 35. Электроды установлены в одной плоскости примерно в 60 см над трубными пучками; сечение выхлопного патрубка турбины на этой высоте составляет 24•4,7 м. Две стенки выхлопного патрубка турбины, параллельные электродам, образуют с обеих сторон заземленные противоэлектроды. Таким образом практически все сечение выхлопного патрубка турбины охвачено чередующимися заземленными и активными электродами, расстояние между которыми составляет 20 см; на таком же расстоянии отстоят крайние активные электроды от соседних стенок выхлопного патрубка турбины. Активные электроды 34 одним концом прикреплены к нагреваемым подвесным изоляторам 3, а другим - к нагреваемым проходным изоляторам 7, через которые подается энергия высокого напряжения на активные электроды 34. Эти изоляторы соответствуют тем, которые изображены на фиг.3 и 4 вышеуказанной заявки на выдачу патента США.

Конструкция активных 34 и заземленных 35 электродов соответствует изображенной на фиг. 3. Несущий шнур 21 выполнен из проволоки диаметром 2 мм из нержавеющей стали. Двойная проволочная спираль 22 и соединительная проволока 23 изготовлены из константановой проволоки диаметром 0,2 мм.

Регулируемый источник 38 энергии высокого напряжения подает отфильтрованный постоянный ток напряжением 10-20 кВ. Напряжение пробоя в выхлопном патрубке турбины в условиях данного опыта составляет около 2 кВ/см. Объемная плотность заряда влажного пара равна не менее чем 10^-9 к•cм^-3. При такой объемной плотности напряженность электрического поля ≈0,6 кВ/см достаточно для разрушения большинства имеющихся капель воды. При межэлектродном расстоянии 20 см и приложенном к активным электродам напряжении 20 кВ получается напряженность электрического поля 1 кВ/см.

Когда задействованы все активные электроды, потребление мощности высокого напряжения не превышает 500 Вт. В ходе испытания различные параметры, приведенные в табл. 3, замерялись дважды в отсутствие высокого напряжения, затем 7 раз при высоком напряжении и, наконец, дважды при отключенном напряжении. Без высокого напряжения активные электроды заземлялись, чтобы исключить эффект спонтанного заряжения и получить возможность полностью наблюдать эффективность способа.

Результаты испытаний представлены в табл.3 и на фиг.7, 8 и 9. При подаче энергии высокого напряжения T_S,TE и T_S,CN снижаются примерно на 2,5^oС, а после отключения ее возвращаются к своим прежним значениям (фиг.7). P_TE и Р_CN,T снижаются соответственно на 11 и 8 мм рт. ст., a P_CN,m снижается на 4 мм (фиг.8). Колебания динамического давления (измеренного водяным манометром) сокращается более чем на половину, что свидетельствует об ослаблении турбулентности в потоке влажного пара при подаче высокого напряжения (табл.3). В этом опыте полная мощность увеличилась на 0,43 МВт, или 11% (табл.3).

В ходе опыта основные параметры пара и давления в контуре регулирования оставались полностью стабильными, что свидетельствует в пользу того, что наблюдавшееся увеличение выработки энергии действительно вызывалось высоким напряжением, приложенным к активным электродам.

ПРИМЕР 6
Графики зависимости тока от напряжения, представленные на фиг.5, получены на лабораторной установке. Электродами служили стальные стержни диаметром 0,5 см и длиной 17 см, установленные параллельно на расстоянии 10 см друг от друга. Атмосферой служили насыщенные водяные пары при 35^oС. Ток определялся как функция напряжения для гладких стержней, а затем определялся снова после того, как на стержни надевали двойную проволочную спираль, как показано на фиг.3. Без двойной спирали ток был очень мал до 10 кВ, а затем резко возрос, что указывает на приближение электрического пробоя между электродами (кривая 28). При наличии двойной проволочной спирали коронный разряд инициировался примерно при 3 кВ, и с увеличением напряжения ток нарастает плавно (кривая 29).

ПРИМЕР 7
В связи с демонстрационным экспериментом, описанным в примере 5, ставились и другие опыты. Плотность заряда в отходящем паре турбины определялась при полностью открытом отводе пара на отопление, вследствие чего до 50% общего потока пара, включая большую часть жидкой фазы, не доходило до выхода турбины. В результате измеренная объемная плотность заряда в отходящем паре турбины снижалась в 10-50 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЪЕМ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Представлен предпочтительный вариант осуществления способа и устройства для интенсификации конденсации и течения пара в выхлопном патрубке и конденсаторе паровой турбины, в которых ряд проводных и коронных электродов натянут поперек практически полного сечения выхлопного патрубка турбины, причем активные электроды чередуются с заземленными. Электроды состоят из проволоки из нержавеющей стали, вокруг которой навита двойная спираль из тонкой константановой проволоки. Предпочтительны электроды с двойной проволочной спиралью, потому что они создают спокойный коронный разряд вблизи себя, сводя к минимуму риск искрения или дуги между соседними электродами. Существует множество других конструкций коронных электродов, например выполненные по типу колючей проволоки или с металлическими кромками. Можно также использовать коронные электроды, в которых опорным элементом служит жесткий стержень или трубка.

Основным требованием является создание электрического поля достаточной напряженности, чтобы разрушать заряженные капли воды практически по всему сечению выхлопного патрубка турбины, не производя дуговых или искровых разрядов. Любая конструкция или конфигурация электродов, отвечающая этому требованию, пригодна для ведения процесса. В ряде случаев коронными электродами могут служить только активные электроды или противоэлектроды, но не те и другие вместе; например, в роли заземленных противоэлектродов могут выступать должным образом размещенные распоры выхлопного патрубка турбины.

В описанном здесь предпочтительном варианте осуществления изобретения электроды находятся примерно в 60 см от трубных пучков конденсатора; в принципе их можно ставить практически в любом месте выхлопного патрубка турбины, если только обеспечивается достаточное удаление от заземленных деталей, чтобы избежать образования нежелательных электрических разрядов, а расстояние от трубного пучка достаточно велико, чтобы дать время множеству образовавшихся мелких капелек послужить зародышами конденсации. Точное местоположение электродов должно выбираться так, чтобы обеспечить максимальный эффект от использования способа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения сильное электрическое поле находится примерно в 60 см над трубными пучками конденсатора, и вблизи трубных пучков его напряженность гораздо слабее. При другом размещении электродов область сильного электрического поля может охватывать, по существу, полное сечение выхлопного патрубка турбины на некотором удалении от трубных пучков, как требует способ, но и создавать значительную напряженность вблизи трубных пучков. Наличие такой дополнительной области сильного электрического поля по соседству с трубными пучками не имеет существенного значения для осуществления способа и может рассматриваться как дополнительный элемент.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения водяные капли во влажном паре имеют положительный заряд, потенциал, приложенный к активным электродам, положительный относительно земли, и положительно заряженные капли воды отталкиваются от активных электродов. Приложение к активным электродам потенциала с тем же знаком, что у заряженных капель воды, сводит к минимуму расход энергии, подаваемой от источника высокого напряжения. Способ так же осуществим, когда к активным электродам прикладывается потенциал со знаком, противоположным потенциалу капель воды, или переменный потенциал.

Для поддержки активных электродов необходимо применение соответствующих высоковольтных подвесных изоляторов, а для подачи на них энергии высокого напряжения - высоковольтных проходных изоляторов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанном здесь и использовавшемся в экспериментальных работах, применяются изоляторы с электрическим подогревом. Конкретно изоляторы, использовавшиеся в примере 5, включали резистивный нагревательный элемент внутри изоляционного корпуса, питаемый от внешнего источника энергии. Изоляторы, питаемые токами утечки и описанные в вышеуказанной заявке США или в Российской заявке 5047816/06, или другие типы нагреваемых изоляторов также пригодны для этой цели. Могут применяться и другие типы изоляторов, например с покрытием из гидрофобного фторуглеродного пластика, который предотвращает образование непрерывной пленки влаги и позволяет обойтись без подогрева.

В некоторых случаях способ и устройство могут работать без подвода энергии высокого напряжения извне. Поскольку капли воды в отходящем газе турбины несут положительный заряд, они придают положительный заряд электродам, подвешенным в выхлопном патрубке турбины и хорошо изолированным от заземленных деталей выхлопного патрубка турбины и конденсатора. В ряде случаев разность потенциалов, возникающая между изолированными электродами и соседними заземленными электродами, достаточно велика для разрушения капель воды, проходящих между электродами. Если процесс питается электрическим зарядом, имеющимся в паре, без подвода энергии извне (фиг.1), то лучше размещать активные электроды ближе к турбине, потому что электрический заряд пара там больше.

Хотя описанные способ и устройство в первую очередь предназначены для интенсификации конденсации и повышения к.п.д. паротурбинного энергоблока, оснащенного поверхностным конденсатором, изобретение может найти применение и в других типах энергетических установок, например в энергоблоках с оросительными конденсаторами или в теплофикационных блоках, где пар выходит из турбины под относительно высоким давлением (1-10 атм) и конденсируется в поверхностном теплообменнике, откуда пар выходит под несколько меньшим давлением. Изобретение применимо и в неэлектрических паровых турбинах, например в судовых двигателях.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения и демонстрационная установка, описанные здесь, относятся к установке электродов внутри продолговатого выхлопного патрубка, соединяющего турбину с конденсатором, но возможности его применения не ограничиваются данной конкретной конфигурацией. В некоторых энергоблоках соединительный канал между турбиной и конденсатором может быть выполнен иначе. Необходимо лишь установить электроды в каком-либо месте между турбиной и трубными пучками конденсатора на достаточном расстоянии от трубных пучков, чтобы образующиеся капельки выросли и послужили зародышами, и на достаточном удалении от других заземленных деталей, чтобы избежать нежелательных электрических разрядов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения описан один комплект электродов, охватывающий одно сечение трубного пучка. В некоторых случаях могут оказаться целесообразными два или более комплектов электродов.

Для работы способа важно обеспечить наличие электрических заряженных капель воды в отходящем паре турбины. В обычных эксплуатационных условиях на многих электростанциях заряженных капель вполне достаточно, и никаких особых мер принимать не нужно. В других случаях может понадобиться изменить режим работы, чтобы получить нужное количество заряженных капель воды, например, ограничить объем отводимого пара, если с ним уходит большая часть влаги.

При необходимости можно изменить химический состав воды, чтобы увеличить заряд капель, например, добавлением или повышением концентрации аммиака или летучих аминов. Поскольку для образования зарядов требуется отбор его с поверхности лопаток последних ступеней турбины, поверхностный заряд на них можно увеличить подбором сплавов или обработкой поверхности лопаток напылением или иным образом, придавая металлической поверхности такие кислотно-щелочные свойства, которые способствуют увеличению заряда.

Формула изобретения

1. Способ снижения противодавления турбины в паротурбинном энергогенерирующем блоке с целью значительного повышения выработки электроэнергии указанными блоками, располагающем подачей пара и включающем паровую турбину, приводимую в действие указанным паром и дающую отходящий пар, имеющий проточной путь и представляющий собой влажный пар, и конденсатор, имеющий электрическое заземление и выбранный из группы, состоящей из поверхностного конденсатора, включающего множество теплообменных труб, и смешивающего конденсатора, и соединительный канал, образующий сечение, пересекающееся с путем движения отходящего пара турбины, по которому указанный отходящий пар поступает из паровой турбины в конденсатор, в соответствии с которым (I) - создают внутри указанного соединительного канала электрическое поле так, что указанное электрическое поле находится на пути движения указанного отходящего газа турбины, и (II) - используют полученное электрическое поле для создания средней напряженности электрического поля внутри указанного соединительного канала заданной величины в таком интервале значений, что указанная заданная величина достаточно велика, чтобы снизить противодавление турбины и тем самым повысить выработку энергии, но достаточно мала, чтобы избежать нежелательных электрических разрядов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрически заряженные капли воды в указанном отходящем паре турбины отклоняются указанным электрическим полем, что изменяет течение указанного отходящего пара турбины и снижает турбулентность, и разрушаются, образуя множество мелких капелек, которые служат зародышами для внутренней конденсации, что снижает противодавление турбины и увеличивает выработку энергии указанным генерирующем блоком.

3. Способ по п. 1, в котором указанное электрическое поле является постоянным.

4. Способ по п. 3, в котором в указанную подачу пара предварительно вводят летучие основания с целью облегчить приобретение положительного заряда каплями воды в указанном отходящем паре турбины.

5. Способ по п. 3, в котором указанный интервал значений на стадии (II) составляет по меньшей мере 250 В/см, но не более 3000 В/см.

6. Способ по п. 3, в котором указанный интервал значений на стадии (II) составляет по меньшей мере 800 В/см, но не более 1200 В/см.

7. Способ по п. 1, в котором указанное электрическое поле создают путем приложения высокого напряжения между по меньшей мере одним активным электродом и по меньшей мере одним противоэлектродом, причем указанный противоэлектрод выбран из группы, состоящей из электродов, предназначенных для этой цели, электропроводных деталей, предназначенных для этой цели, должным образом размещенных конструктивных распоров внутри указанного соединительного канала и должным образом размещенных стенок указанного соединительного канала, причем высокий электрический потенциал сообщается указанным активным электродам.

8. Способ по п. 7, в котором указанное электрическое поле заполняет, по существу, все сечение указанного соединительного канала.

9. Способ по п. 8, в котором указанное высокое напряжение является посторонним, а знак электрического потенциала указанных активных электродов совпадает со знаком заряда электрически заряженных капель воды в отходящем паре турбины.

10. Способ по п. 8, в котором указанные противоэлектроды являются заземленными электродами.

11. Способ по п. 9, в котором указанные активные электроды приобретают высокий электрический потенциал от заряженных капель воды.

12. Способ по п. 9, в котором высокое напряжение на электроды подают от внешнего источника энергии высокого напряжения.

13. Способ снижения противодавления турбины в паротурбинном энергогенерирующем блоке с целью значительного повышения выработки электроэнергии указанным блоком, располагающим подачей пара и включающим паровую турбину, приводимую в действие указанным паром и дающую отходящий пар, имеющий путь движения, и конденсатор, имеющий электрическое заземление и выбранный из группы, состоящей из поверхностного конденсатора, включающего множество теплообменных труб, и смешивающего конденсатора, и соединительный канал, образующий сечение, пересекающееся с путем движения отходящего пара турбины, по которому указанный отходящий пар поступает из паровой турбины в конденсатор, в соответствии с которым (I) - обеспечивают то, что указанный отходящий пар турбины представляет собой влажный пар, содержащий электрически заряженные капли воды, и (II) - создают внутри указанного соединительного канала электрическое поле, имеющее связанный с ним ток и обладающее средней напряженностью электрического поля, заданной величины в определенном интервале значений таким образом, что указанное электрическое поле находится на пути движения указанного отходящего газа турбины, и указанная заданная величина достаточно велика, чтобы снизить противодействие турбины и тем самым повысить выработку энергии, но достаточно мала, чтобы избежать нежелательных электрических разрядов.

14. Способ по п. 13, в котором стадия (II) далее отличается тем, что указанная заданная величина указанной средней напряженности электрического поля достаточна для разрушения указанных заряженных капель воды в указанном отходящем паре турбины, создавая при этом множество мелких капель и тем самым образуя зародыши, способствующие внутренней конденсации пара в отходящем паре турбины.

15. Способ по п. 13, в котором указанное электрическое поле является переменным и имеет частоту, которая составляет менее 5 КГц.

16. Паротурбинный энергогенерирующий блок, имеющий электрическое заземление и включающий паровую турбину, дающую отходящий пар, который имеет путь движения, конденсатор и соединительный канал, образующий сечение, которое пересекается с путем движения отходящего газа турбины, и по которому указанный отходящий газ турбины проходит из турбины в конденсатор, в который внесены следующие дополнительные усовершенствования: по меньшей мере один активный электрод, изолированный от электрического заземления и размещенный внутри указанного соединительного канала, и по меньшей мере один противоэлектрод, размещенный внутри указанного соединительного канала вблизи указанных активных электродов и выбранный из группы, состоящей из: электродов, предназначенных для этой цели, электропроводных деталей, предназначенных для этой цели, должным образом размещенных конструктивных распоров внутри указанного соединительного канала и должным образом размещенных стенок указанного соединительного канала.

17. Блок по п. 16, содержащий такие высоковольтные нагреваемые изоляторы, которые электрически изолируют указанные активные электроды от электрического заземления.

18. Блок по п. 17, содержащий также источник энергии постоянного высокого напряжения, подключенный к указанным активным электродам.

19. Блок по п. 17, в котором указанные активные электроды и указанные противоэлектроды представляют собой линейные коронные электроды, размещенные в чередующемся порядке на расстоянии друг от друга.

20. Блок по п. 19, в котором указанные активные электроды и указанные противоэлектроды размещены, по существу, соплоскостно.

21. Блок по п. 20, в котором указанные активные электроды и указанные противоэлектроды заполняют, по существу, все сечения указанного соединительного канала.

22. Блок по п. 21, в котором указанный конденсатор представляет собой поверхностный конденсатор, включающий множество теплообменных труб, а указанные активные электроды размещены на расстоянии по меньшей мере 1,5l от указанных теплообменных труб.

23. Блок по п. 22, в котором указанные активные электроды и указанные противоэлектроды представляют собой проводные коронные электроды.

24. Блок по п. 23, в котором указанное расстояние l равно приблизительно 20 см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13

TK4A - Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях "Изобретения (заявки и патенты)" и "Изобретения. Полезные модели"

Страница: 562

Напечатано: Дата прекращения действия 25.08.2004

Следует читать: Дата прекращения действия 23.01.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 16-2004

Код раздела: MM4A

Извещение опубликовано: 27.11.2004        БИ: 33/2004

---