|
| Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные | Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения | Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела |   |
| Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) | |||
Навигация: => | На главную/ Каталог патентов/ В раздел каталога/ Назад / |
|
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2053376
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Имя изобретателя: Булкин Анатолий Ефремович; Калашников Арсений Александрович; Москаленко Владимир Валентинович; Панов Валерий Иванович; Панов Евгений Иванович
Имя патентообладателя: Булкин Анатолий Ефремович; Калашников Арсений Александрович; Москаленко Владимир Валентинович; Панов Валерий Иванович; Панов Евгений Иванович
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1993.04.09
Использование: в теплоэнергетике для получения электрической энергии путем утилизации теплоты низкопотенциальных источников. Сущность изобретения: в корпусе 1 размещены конденсатосборник 2, электрический генератор 5, турбина 6 и питательный насос. С выхлопным патрубком 30 соединен регенеративный подогреватель 31, соединенный трубопроводом 33 с теплообменником 34 конденсатора. Теплообменник 34 размещен в зоне приемника теплоты, а парогенератор 16 - в зоне источника теплоты. Для повышения надежности установки при пуске она снабжена сепаратором 20 с поплавковым регулятором 23 уровня, с паровым клапаном 21, дренажным клапаном 24 и обводным клапаном. Сепаратор 20 предотвращает попадание влаги в проточную часть турбины, отделяя влагу от газообразной фазы, и на начальном этапе пуска направляет поток рабочего тела в обвод турбины 6. Пусковой резервуар 10, и временно помещаемый в зону источника теплоты, позволяет обеспечить начальную циркуляцию рабочего тела через парогенератор и другие части цикла. Вентилятор 36 позволяет интенсифицировать работу теплообменника 34 при использовании в качестве приемника теплоты окружающего воздуха.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии путем утилизации теплоты низкопотенциальных источников, природных (например, геотермальных) или на основе производственных отходов (например, попутных газов, потоков нагретой воды и т.п.).
Известны электроэнергетические установки с низкопотенциальным источником теплоты, содержащие корпус, внутри которого размещены конденсатосборник, электрический генератор, турбина и питательный насос, и размещенные вне корпуса парогенератор и теплообменник конденсатора, соединенные трубопроводами с турбиной, конденсатосборником и насосом.
В этих установках не предусмотрены схемные и конструктивные меры для повышения экономичности в условиях малого располагаемого теплоперепада, в результате чего утилизируемая теплота используется недостаточно эффективно. Кроме того, в указанных установках отсутствуют средства регулирования и запуска, что отрицательно сказывается на надежности как в пусковых, так и в нормальных режимах. Лопаточный аппарат турбины не защищен от попадания на него капель жидкой фазы рабочего тела, что особенно существенно при пуске.
Известна и электроэнергетическая установка с низкопотенциальным источником теплоты, содержащая корпус, внутри которого размещены конденсатосборник, связанные между собой посредством роторов, снабженных подшипниками, электрический генератор, турбина с паровпуском и выхлопным патрубком и питательный насос с входным и выходным патрубками, размещенные вне корпуса парогенератор и теплообменник конденсатора, первый из которых помещен в зоне источника теплоты, а второй в зоне приемника теплоты (см. Кульмамедов К.О. Разработка и исследование автономной солнечной энергетической установки паротурбинного типа: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ашхабад, Туркменский гос. университет, 1990, 19 с. ). И здесь не предусмотрены меры по повышению надежности, отсутствуют средства регулирования и запуска, а и в недостаточной степени использованы возможности повышения эффективности производства электроэнергии.
Техническая задача изобретения состоит в повышении надежности при пуске установки.
Для решения технической задачи электроэнергетическая установка с низконапорным источником теплоты, содержащая корпус, внутри которого размещены конденсатосборник, связанные между собой посредством роторов, снабженных подшипниками, электрический генератор, турбина с паровпуском и выхлопным патрубком и питательный насос с входным и выходным патрубками, размещенные вне корпуса парогенератор и теплообменник конденсатора, первый из которых помещен в зоне источника теплоты, а второй в зоне приемника теплоты, дополнительно снабжена регенеративным подогревателем и сепаратором, причем вход регенеративного подогревателя по греющей среде подключен к выхлопному патрубку турбины, выход к теплообменнику конденсатора, а по нагреваемой среде вход к выходному патрубку питательного насоса, а выход ко входу парогенератора, сепаратор выполнен в виде емкости с поплавковой камерой, помещенным в нее поплавком, дренажным трубопроводом и сбросным трубопроводом с дросселем, при этом сепаратор размещен внутри корпуса установки и включен в трубопровод между парогенератором и паровпуском турбины, а дренажный и сбросной трубопроводы соединены с полостью регенеративного подогревателя.
Установка может быть дополнительно снабжена охладителем дренажа, который включен в дренажный трубопровод между сепаратором и полостью регенеративного подогревателя, причем вход охладителя дренажа по нагреваемой среде подключен к подогревателю, а выход к парогенератору. Дополнительное повышение экономичности путем создания разрежения внутри корпуса перед пуском установки может быть достигнуто, когда установка снабжена штуцером для присоединения пускового вакуум-насоса с обратным клапаном и заглушкой и вакуум-метром.
Установка может быть снабжена датчиками давления и температуры, установленными на трубопроводе между парогенератором и сепаратором. Сепаратор снабжен паровым и обводным клапанами, причем паровой клапан включен на линии между внутренней полостью сепаратора и паровпуском турбины и соединен с датчиком давления, а обводной клапан включен в сбросной трубопровод и соединен с датчиком температуры.
Установка может быть снабжена электрическим аккумулятором и переключателем, подключенными к генератору. Она может быть снабжена и аккумулятором, управляемым инвертором и переключателем, подключенными к этому генератору. Для автоматизации запуска установка может быть снабжена двумя пороговыми элементами и логическим элементом И, через которые датчики давления и температуры подключены к переключателю. Установка может быть снабжена пусковым резервуаром, выполненным в виде корпуса из теплопроводного материала с двумя входными и одним выходным трубопроводами, и двумя обратными клапанами, включенными во входные трубопроводы, причем полость пускового резервуара через трубопроводы подсоединена к парогенератору и конденсатосборнику, а сам резервуар помещен в зоне источника теплоты. Установка может быть снабжена пусковым насосом, который через обратные клапаны подсоединен к линии между входным патрубком питательного насоса и трубчатым нагревателем. Пусковой насос может быть снабжен ручным или ножным приводом, в том числе в виде жесткой пластины и сильфона или электрическим приводом и аккумулятором.
Электрический генератор может быть снабжен охлаждающей камерой, внутренняя полость которой включена в рассечку трубопровода между регенеративным подогревателем и парогенератором. Питательный насос может быть выполнен центробежным и снабжен шнеком, размещенным в его входном патрубке и укрепленным на роторе насоса.
Установка с использованием в качестве приемника теплоты окружающего атмосферного воздуха может быть снабжена вентилятором, установленным в зоне теплообменника конденсатора. При использовании в качестве приемника теплоты водоема или потока воды установка может быть снабжена циркуляционным насосом, а теплообменник конденсатора снабжен кожухом, соединенным трубопроводами с циркуляционным насосом, входной патрубок которого погружен под уровень воды.
Установка может быть снабжена дополнительными трубопроводами, которые подключены к трубопроводу между регенеративным подогревателем и парогенератором и к подшипникам роторов турбины и электрического генератора.
Установка может быть снабжена датчиком частоты вращения, регулирующим клапаном с приводом и датчиком обратной связи, причем датчик частоты вращения может быть выполнен в виде измерительного насоса, а привод клапана в виде гидромеханического усилителя, который может быть снабжен изодромным устройством. Привод регулирующего клапана может быть выполнен в виде электромеханического усилителя с преобразователем, который может быть подключен к выходу электрического генератора или к выполненному электрическим датчику частоты вращения. Для повышения надежности при пуске регулирующий клапан может быть снабжен камерой обогрева, полость которой включена в рассечку трубопровода между парогенератором и сепаратором.
Электроэнергетическая установка снабжена регенеративным подогревателем, вход которого по греющей среде подключен к выхлопнному патрубку турбины, выход к теплообменнику конденсатора, а по нагреваемой среде вход подключен к выходному патрубку питательного насоса, а выход ко входу парогенератора, и сепаратором, выполненным в виде емкости с поплавковой камерой, помещенным в нее поплавком, дренажным трубопроводом и сбросным трубопроводом с дросселем, причем сепаратор размещен внутри корпуса установки и включен в трубопровод между парогенератором и паровпуском турбины, а дренажный и сбросной трубопроводы соединены с полостью регенеративного подогревателя, образуют вместе с известными из прототипа такую совокупность признаков, которая обладает существенными отличиями по сравнению с совокупностью признаков известных установок и обеспечивает решение технической задачи. Указанные конструктивное выполнение регенеративного подогревателя и сепаратора и их включение в схему установки повышает экономичность, предотвращает попадание капель жидкой фазы рабочего тела из парогенератора на лопаточный аппарат турбины и тем самым повышает надежность при пуске установки, когда температура рабочего тела в парогенераторе еще недостаточна для образования чисто перегретого пара. Признаки, приведенные в дополнительных пунктах формулы, и обеспечивают достижение указанных эффектов.
На фиг. 1 приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемой энергетической установки с низкопотенциальным источником теплоты; на фиг. 2 показано конструктивное выполнение сепаратора; на фиг. 3 и 4 приведены схемы подключения к аккумулятору соответственно генератора постоянного и переменного тока для обеспечения возможности работы генератора в режиме пускового двигателя; на фиг. 5 показана схема подключения пускового насоса; на фиг. 6 приведена конструкция пускового насоса с ручным приводом; на фиг. 7 конструкция питательного насоса со шнеком во входном патрубке; на фиг. 8 показана схема подключения циркуляционного насоса; на фиг. 9 приведена конструкция гидромеханического усилителя с изодромным устройством; на фиг. 10 схема подключения электромеханического усилителя; на фиг. 11 приведена конструкция регулирующего клапана с камерой обогрева.
Электроэнергетическая установка с низкопотенциальным источником теплоты содержит корпус 1, в нижней части которого размещен конденсатосборник 2 с жидкой фазой рабочего тела. Рабочее тело должно быть с низкой температурой кипения (например, спирты, ароматические углеводороды и т.п.). На перегородке 3 установлен редуктор 4, через который соединены между собой роторы электрического генератора 5, турбины 6 и питательного насоса 7 (возможно и в некоторых случаях целесообразно непосредственное, без редуктора соединение роторов генератора, турбины и насоса). Входной патрубок 8 питательного насоса 7 снабжен фильтром и помещен под уровень жидкости в конденсатосборнике 2. С ротором питательного насоса 7 соединен ротор измерительного насоса 9, являющегося датчиком частоты вращения.
Пусковой резервуар 10, корпус которого выполнен из теплопроводного материала, помещен во время пуска в зоне источника теплоты. Входными трубопроводами 11 и 12 через обратные клапаны 13 резервуар 10 подсоединен к трубопроводу 14 и к конденсатосборнику 2. Выходным трубопроводом 15 резервуар 10 подсоединен к парогенератору 16, помещенному в зону источника теплоты. К выходу парогенератора 16 подсоединен трубопровод 17 тракта подвода пара к паровпуску 18 турбины 6. В этом тракте установлены датчик 19 температуры, сепаратор 20, паровой клапан 21 сепаратора и регулирующий клапан 22. Сепаратор 20 снабжен поплавковым регулятором 23 уровня, соединенным с дренажным клапаном 24, который установлен в дренажном трубопроводе 25. Сепаратор снабжен и сбросным трубопроводом 26 с дросселем 27 и обводным клапаном 28, соединенным с датчиком 19 температуры. Паровой клапан 21 подсоединен к датчику 29 давления.
С выхлопным патрубком 30 турбины 6 соединена полость регенеративного подогревателя 31. В этой полости размещен трубчатый нагреватель 32 и к этой полости подсоединен вход сбросного трубопровода 26. С помощью трубопровода 33 полость регенеративного подогревателя 31 соединена с теплообменником 34 конденсатора, а с помощью трубопровода 35 теплообменник 34 подсоединен к конденсатосборнику 2. При использовании в качестве приемника теплоты окружающего атмосферного воздуха в зоне теплообменника 34 может быть установлен вентилятор 36 с электрическим приводом, подсоединенным через кабель 37, выключатель 38 и предохранитель 39 к линии 40 на выходе электрического генератора 5. Сюда же подсоединен и кабель 41 для снабжения внешнего потребителя электроэнергией, вырабатываемой данной установкой.
Выходной патрубок 42 питательного насоса 7 соединен с трубчатым нагревателем 32 при помощи трубопровода 43. Выход трубчатого нагревателя 32 соединен трубопроводом 44 с охладителем 45 дренажа, полость которого подключена к дренажному трубопроводу 25 и к выхлопному патрубку 30 турбины. Охладитель дренажа 45 через трубопровод 46 подсоединен к охлаждающей камере 47, которая выполнена в корпусе электрического генератора 5, и далее через трубопровод 14 к парогенератору 16. Дополнительными трубопроводами 48, 49 и 50 подшипники турбины 6 и генератора 5 подсоединены к трубопроводу 46, соединяющему регенеративный подогреватель и парогенератор. Тем самым обеспечена смазка подшипников рабочим телом установки. Для этой цели возможно и подключение дополнительного трубопровода 48 к трубопроводу 43, т.е. на участке подачи рабочего тела в регенеративный подогреватель (на фиг. 1 это условно не показано). Здесь рабочее тело менее нагрето и может обеспечивать поэтому не только смазку, но и охлаждение подшипников.
Регулирующий клапан 22, установленный перед паровпуском турбины 6, снабжен приводом 51. Если датчиком частоты вращения является измерительный насос 9, как это показано на фиг. 1, привод 51 может быть выполнен в виде гидромеханического усилителя, входной патрубок измерительного насоса 9 соединен с полостью низкого давления рабочего тела, например непосредственно с конденсатосборником 2, а привод 51 соединен с выходным патрубком насоса 9 (и с его входным патрубком) трубопроводами 52.
Корпус установки снабжен крышкой 53, герметично закрывающей полость внутри корпуса. К этой полости подключен штуцер 54 для присоединения пускового вакуум-насоса (вакуум-насос на фиг. 1 не показан). Штуцер 54 снабжен обратным клапаном 55 и заглушкой 56. Для контроля разрежения в полости внутри корпуса предусмотрен вакуум-метр 57.
 | Сепаратор установки (см. фиг. 2) содержит корпус 58 сепаратора, корпус 59 поплавковой камеры и корпус 60 датчика 19 температуры, которые могут быть снабжены теплоизоляцией 61. Внутри корпуса 58 расположен спиральный трубопровод 62 с дренажными отверстиями 63, каналом 64 трубопровод 62 соединен с полостью внутри корпуса 60 датчика температуры, к которой присоединен трубопровод 17 от парогенератора. Полость внутри корпуса 58 сепаратора соединена с поплавковой камерой непосредственно и с трубопроводом 65 к паровпуску турбины через паровой клапан 21. В поплавковой камере помещен поплавок 66 поплавкового регулятора уровня. Через рычаг 67 поплавок кинематически соединен с дренажным клапаном 24, размещенным в корпусе 68. Паровой клапан 21 соединен через шток 69 с регулятором давления, образованным сильфоном 70 и пружиной 71. Пружина 71 опирается своими торцами на тарелку штока 69 и на колпачок 72, а торцы сильфона 70 закреплены на клапане 21 и на крышке 73, снабженной ограничителем 74 хода клапана. Внутренняя полость сильфона 70 сообщена каналом 75 с полостью 76 за обводным клапаном 28. Этот клапан соединен с датчиком 19 температуры, выполненным в виде расположенного внутри корпуса 60 штока. Материал штока имеет коэффициент теплового расширения больше, чем аналогичный коэффициент материала корпуса 60. Один конец штока закреплен неподвижно относительно корпуса 60 при помощи перегородки 77 и накидной гайки 78. Для запуска установки необходимо обеспечить циркуляцию рабочего тела через парогенератор, турбину и конденсатор. Одна из возможностей состоит в том, чтобы использовать для этого питательный насос 7 (см. фиг. 1), привод которого на этапе запуска обеспечивается электрическим генератором 5, работающим в режиме пускового электродвигателя. |
 | В случае применения в установке электрического генератора постоянного тока предусмотрено питание его в режиме запуска от электрического аккумулятора 79 (см. фиг. 3), подключенного к генератору 5 через переключатель 80. В случае применения электрического генератора переменного тока (например, трехфазного синхронного генератора с возбуждением от постоянного магнита) в цепь между аккумулятором 79 и переключателем 80 (см. фиг. 4) включен управляемый инвертор 81, на выходе которого формируется переменный ток с частотой, плавно нарастающей до номинального значения в процессе запуска. Автоматическое согласование длительности работы генератора в режиме двигателя с моментом достижения при запуске необходимых для нормального функционирования параметров рабочего тела обеспечивается использованием датчика 19 температуры и датчика 29 давления. Как показано на фиг. 3 и 4 эти датчики через пороговые элементы 82 подключены ко входам логического элемента И 83, выход которого подсоединен к переключателю 80. |
 |
 | Возможен и запуск установки с помощью специального пускового насоса. Входной патрубок 84 с фильтром пускового насоса 85 (см. фиг. 5) подсоединен с конденсатосборнику 2, а выходной патрубок соединен через обратный клапан 86 с трубопроводом 43. В этот же трубопровод, соединяющий выходной патрубок питательного насоса и трубчатый нагреватель, включен (до точки подсоединения обратного клапана 86) обратный клапан 87. Пусковой насос 85 может быть снабжен электрическим приводом 88. Для питания этого привода может быть использован аккумулятор 79, размещенный снаружи корпуса 1 установки. Линией 89 аккумулятор 79 соединен с блоком 90 коммутации и преобразования. В этот блок входят предохранитель 39 (см. фиг. 1), переключатель 80 (см. фиг. 3 и 4), управляемый инвертор 81, а и выпрямитель (при необходимости обеспечить питание потребителей постоянным током от установки с генератором переменного тока) и другие элементы электрической схемы установки, например, средства контроля и сигнализации. Аналогично электрическому генератору 5 (см. фиг. 1) блок 90 может быть снабжен охлаждающей камерой, включенной в рассечку трубопровода между регенеративным подогревателем и парогенератором. К блоку 90 подключен электрический привод 88 пускового насоса, а и кабель 37 подвода питания к приводу вентилятора (см. фиг. 1) и кабель 41 для снабжения внешнего потребителя. |
 | Пусковой насос может быть снабжен ручным или ножным приводом. Ручной привод может быть выполнен (см. фиг. 6) в виде скрепленных между собой жесткой пластины 91 и сильфона 92, прикрепленного и к нижней части корпуса 1, где находится конденсатосборник 2. Внутренняя полость сильфона 92 сообщена с конденсатосборником 2 с помощью дополнительного обратного клапана 93 и фильтра 94. Резьбовой шток 95 ручного привода установлен в неподвиж- ной направляющей 96, связанной с ограничительной крышкой 97 (на фиг. 6 эта связь условно не показана). Шток 95 снабжен штурвалом 98 и тарелкой 99, кинематически связанной с пластиной 91. |
 | Полость внутри корпуса 1 (см. фиг. 1) находится под разрежением. Чтобы в этих условиях уменьшить угрозу кавитации питательного насоса 7, его входной патрубок помещен под уровень жидкости в конденсатосборнике 2. Для дополнительного повышения надежности защиты от кавитации во входном патрубке 8 (см. фиг. 7) размещен шнек 100, укрепленный на роторе насоса, образованном валом 101 и рабочим колесом 102. Поэтому шнек 100 вращается вместе с рабочим колесом 102, создавая подпор на всасывающей стороне колеса.
|
 | В качестве приемника теплоты может быть использован не только атмосферный воздух, как это показано на фиг. 1, но и водоем или поток воды (см. фиг. 8). В этом случае теплообменник 34 конденсатора снабжен кожухом 103, имеющим подводящий трубопровод 104 и отводящий трубопровод 105. К подводящему трубопроводу 104 подсоединен выходной патрубок 106 циркуляционного насоса 107, а входной патрубок 108 этого насоса снабжен обратным клапаном 109 и погружен под уровень воды в водоеме 110 (искусственном или естественном) или в потоке воды (в ручье, реке, канале и т.п.). Насос 107 снабжен электрическим приводом 111, к которому подведено питание от выхода электрического генератора установки через выключатель 38 и кабель 37. |
 | Как показано на фиг. 1, для автоматического регулирования режима работы установки предусмотрен регулирующий клапан 22, установленный перед паровпуском 18 турбины 6 и снабженный приводом 51, к которому подключен датчик частоты вращения, кинематически связанный с ротором турбины 6. При использовании в качестве датчика частоты вращения измерительного насоса 9 привод 51 гидромеханический усилитель может быть выполнен согласно фиг. 9. В корпусе привода размещен золотник 112, поршень 113 управления регулирующим клапаном (на фиг. 9 показан шток 114 этого клапана), поршень 115 изодромного устройства, сильфон 116, прикрепленный к корпусу и к тарелке 117, соединенной с золотником 112, и пружина 118. Входной и выходной патрубки измерительного насоса 9 подсоединены трубопроводами 52 к камерам 119, 120, 121, 122. Камера 120 внутри сильфона 116 и камера 121 под поршнем 115 постоянно сообщены между собой. Камера 123 над этим поршнем может быть сообщена с камерой 120 или камерой 122 соответственно через окна 124 или окна 125 в зависимости от смещения поршенька 126 золотника 112 относительно поршня 115 соответственно вверх или вниз. Аналогично полость 127 под поршнем 113 может быть сообщена с камерой 122 или со сливной полостью 128 соответственно через окна 129 или окна 130 при смещении поршенька 131 золотника 112 относительно поршня 113 соответственно вверх или вниз. Полость 132 над поршнем 112 сообщена со сливной полостью 128 постоянно. |
 | Привод 51 регулирующего клапана может быть выполнен и в виде электромеханического усилителя. На фиг. 10 показано одно из возможных выполнений электромеханического усилителя 4 в виде тягового электромагнита, образованного магнитопроводом 133, катушкой 134 и якорем 135, и противодействующей пружины 136. Шток 137 электромагнита взаимодействует с регулирующим клапаном 22. Сильфон 138 предназначен для предотвращения утечек рабочего тела, находящегося под давлением в камере клапана 22, в полость внутри корпуса установки. Катушка 134 подключена к управляющему блоку 139, ко входу которого подключен сумматор 140. Один из входов сумматора 140 подключен через формирователь 141 к выходу преобразователя 142, а второй вход сумматора подключен через формирователь 143 к датчику 144 обратной связи, взаимодействующему со штоком 137. Ко входу преобразователя 142 может быть подключен специально предусмотренный электрический датчик 145 частоты вращения, кинематически связанный с ротором турбины. В этом случае электрический генератор 5 обеспечивает только питание блока 139 преобразователя 142, формирователя 143 и других элементов схемы. Возможно и использование генератора 5 и в качестве датчика частоты вращения роторов установки, так как ток на выходе генератора содержит информацию об изменении частоты вращения в виде отклонения напряжения или и и частоты тока (в генераторе переменного тока). При этом использование специального датчика частоты вращения становится излишним. |
 | Регулирующий клапан 22 может быть снабжен камерой подогрева, как это показано на фиг. 11. В корпусе 146 клапана, снабженном крышкой 147, выполнена камера 148 обогрева, включенная в рассечку трубопровода 17 между парогенератором и сепаратором. Этим обеспечивается прогрев корпуса 146 клапана в самом начале пуска, когда нагретое рабочее тело установки поступает от парогенератора в сепаратор. Для повышения эффективности прогрева корпус 146 может быть покрыт теплоизоляцией 149. Предварительный прогрев уменьшает интенсивность температурных напряжений в процессе пуска, снимает опасность попадания влаги в проточную часть турбины и тем самым повышает надежность работы установки. Данная электроэнергетическая установка работает следующим образом. При нормальном режиме работы в парогенераторе 16 (см. фиг. 1), помещенном в зоне источника теплоты (например, геотермального или использующего теплоту сжигания попутного газа или отходов какого-либо производства), образуется пар. По трубопроводу 17 пар через сепаратор 20 и его паровой клапан 21 поступает к регулирующему клапану 22 и далее через паровпуск 18 в турбину 6. Ротор турбины 6 вращает ротор генератора 5, на выходе которого вырабатывается постоянный или переменный ток (в зависимости от типа генератора), который по линии 40 подается к предохранителю 39 и далее по кабелю 41 к внешнему потребителю (с необходимыми преобразованиями рода тока и его напряжения). |
Отработавший в турбине 6 пар через выхлопной патрубок 30 поступает в полость регенеративного подогревателя 31, где отдает часть теплоты рабочему телу, прокачиваемому через трубчатый нагреватель 32. Затем пар по трубопроводу 33 поступает в теплообменник 34, расположенный в зоне приемника теплоты. Если в качестве приемника теплоты используется атмосферный воздух, то можно интенсифицировать работу теплообменника 34 с помощью вентилятора 36. Электрический привод этого вентилятора получает питание от электрического генератора 5 через выключатель 38 и кабель 37.
В качестве приемника теплоты можно использовать и водоем 110 или поток воды в ручье, реке и т.п. (см. фиг. 8). В этом случае теплообменник заключен в кожух 103, куда подается охлаждающая вода из водоема 110 циркуляционным насосом 107. Электрический привод 111 насоса 107 получает питание от генератора аналогичным образом через выключатель 38 и кабель 37. Обратный клапан 109 предотвращает опорожнение полости кожуха 103 в случае остановки насоса 107.
В теплообменнике 34 рабочее тело цикла конденсируется и по трубопроводу 35 (см. фиг. 1) поступает в конденсатосборник 2. Под уровень жидкости в конденсатосборнике 2 помещен входной патрубок 8 питательного насоса 7. Ротор этого насоса кинематически связан с ротором турбины 6 и вращается вместе с ним, подавая жидкое рабочее тело через трубопровод 43 в трубчатый нагреватель 32. После нагревателя 32 рабочее тело поступает в охладитель дренажа 45, сливаемого из сепаратора 20. Затем по трубопроводу 46 жидкость поступает в охлаждающую камеру 47, где дополнительно нагревается благодаря теплоте, выделяемой в электрическом генераторе 5. К трубопроводу 46 подсоединены дополнительные трубопроводы 48, 49, 59, по которым рабочее тело подается на смазку подшипников роторов турбины 6 и генератора 5. После подшипников эта часть рабочего тела сливается опять в конденсатосборник 2.
По трубопроводу 14 рабочее тело подается через один из обратных клапанов 13 в парогенератор 16 для повторного нагрева и испарения.
Для эффективной работы установки полость внутри корпуса 1, где размещены турбина 6, конденсатосборник 2 и большинство других узлов, должна находиться под разрежением, соответствующим давлению насыщения рабочего тела при температуре охлаждающей среды. Поэтому полость внутри корпуса 1 закрыта герметично крышкой 53, и все выводы наружу трубопроводов и кабелей должны быть герметизированы. Перед началом работы из полости должен быть удален воздух. Для этого предусмотрен штуцер 54, к которому присоединяется пусковой вакуум-насос. Процесс откачки воздуха контролируется по вакуум-метру 57. После окончания откачки воздуха вакуум-насос отсоединяют и полость внутри корпуса 1 оказывается запертой обратным клапаном 55. Дополнительная плотность обеспечивается заглушкой 56.
Чтобы установка начала работать, необходимо поднять параметры рабочего тела до уровня, соответствующего перегретому пару, без частиц влаги, когда возможна безопасная работа турбины. До этого момента турбина 6 не вращает питательный насос 7 и, следовательно, подачу рабочего тела в парогенератор 16 необходимо обеспечить иными средствами. На фиг. 1 показано одно из возможных решений с помощью пускового резервуара 10. Этот резервуар сначала заполняют рабочим телом по трубопроводу 12 через обратный клапан 13, опустив резервуар ниже уровня жидкости в конденсатосборнике 2, а затем помещают на время запуска (для этого трубопроводы 11, 12 и 15 следует выполнить гибкими) в зону источника теплоты. Корпус резервуара 10 выполнен из теплопроводного материала, и рабочее тело в резервуаре начинает нагреваться, а затем испаряться, поступая через парогенератор 16 в сепаратор 20. При этом обратные клапаны 13 не допускают потока рабочего тела в конденсатосборник 2 и трубопровод 14. Запас рабочего тела в резервуаре выбирается, исходя из ожидаемого времени пуска.
Циркуляцию рабочего тела на стадии пуска можно обеспечить и с помощью питательного насоса 7, если на этот период использовать электрический генератор 5 в режиме двигателя. Для этого, согласно фиг. 3 и 4, генератор подключают к электрическому аккумулятору 79 через переключатель 80. Генератор постоянного тока может быть подключен к аккумулятору, как показано на фиг. 3, если напряжение на выходе аккумулятора согласовано с параметрами генератора, или через дополнительные преобразователи. Для использования генератора переменного тока в режиме двигателя необходим управляемый инвертор 81 (см. фиг. 8), частота переменного тока на выходе которого возрастает, чтобы обеспечить увеличение частоты вращения агрегата в заданном темпе.
Окончание работы в режиме двигателя и переход генератора 5 в нормальный режим генерирования электрического тока возможны после достижения требуемых параметров пара перед турбиной, включения ее в работу, в том числе и для привода питательного насоса. Наступление этого момента можно контролировать по сигналам датчика 19 температуры и датчика 29 давления. При достижении температурой и давлением пара соответствующих пороговых значений, установленных пороговыми элементами 82, срабатывает логический элемент И 83, что вызывает автоматическое отключение переключателем 80 аккумулятора 79 от генератора 5 (см. фиг. 3 и 4).
Начальную циркуляцию рабочего тела можно создать и специальным пусковым насосом. Если этот насос снабжен электрическим приводом 88, как показано на фиг. 5, то при запуске установки и используется аккумулятор 79, к которому привод 88 подключен через блок 90 коммутации и преобразования. Обратные клапаны 86 и 87 предотвращают слив рабочего тела через пусковой насос 85 или питательный насос соответственно при работе питательного или пускового насоса и обеспечивают подачу рабочего тела только в трубопровод 43. Отключение пускового насоса 85 после вступления в работу турбины и питательного насоса можно автоматизировать с помощью датчиков температуры и давления пара аналогично показанному на фиг. 3 и 4.
В блоке 90 (см. фиг. 5) может быть предусмотрен преобразователь для автоматической зарядки аккумулятора 79 от генератора установки в процессе ее нормальной работы.
Если пусковой насос снабжен ручным приводом, показанным на фиг. 6, начальную циркуляцию рабочего тела при запуске обеспечивают воздействием на штурвал 98. В результате резьбовой шток 95 и тарелка 99 начинают подниматься, воздействуя на пластину 91. Это приводит к вытеснению жидкости из полости внутри сильфона 92 через обратный клапан 86 в трубопровод 43, подающий рабочее тело в парогенератор. Как и в предыдущем случае обратный клапан 87 препятствует сливу рабочего тела через питательный насос 7 при запуске. Первоначальное заполнение полости внутри сильфона 92 осуществляется из конденсатосборника 2 через обратный клапан 93 и фильтр 94. Ограничительная крышка 97 препятствует при этом чрезмерной деформации сильфона 92.
Чтобы обеспечить надежную работу турбины и установки в целом, необходимо свести к минимуму возможность попадания жидкости фазы рабочего тела в проточную часть турбины. Такая возможность особенно велика при пуске, когда температура и давление рабочего тела еще заметно ниже нормального уровня. На этом этапе сепаратор, предусмотренный в составе данной установки, не только отделяет жидкую фазу от газообразной, но и направляет рабочее тело в обвод турбины. Как показано на фиг. 2, рабочее тело из парогенератора поступает в сепаратор по трубопроводу 17. В начальный период пуска обводной клапан 28 полностью открыт, а паровой клапан 21 и дренажный клапан 24 полностью закрыты. Рабочее тело в основном направляется через клапан 28, полость 76, дроссель 27 и сбросной трубопровод 26 в полость регенеративного подогревателя и далее в теплообменник конденсатора, минуя турбину. Некоторая часть рабочего тела поступает и по каналу 64 в спиральный трубопровод 62, где благодаря вращательному движению потока жидкая фаза его интенсивно отделяется и через дренажные отверстия 63 стекает в поплавковую камеру. При повышении уровня жидкости в камере поплавок 66 начинает открывать дренажный клапан 24 и избыток жидкости направляется по дренажному трубопроводу 25 к охладителю дренажа и далее через полость регенеративного подогревателя в теплообменник конденсатора.
По мере повышения давления за парогенератором и внутри корпуса сепаратора 58 возрастает разность усилий, действующих на большую поверхность парового клапана 21 со стороны полости внутри корпуса 58 и на меньшую поверхность этого же клапана со стороны полости внутри сильфона 70. Когда указанная разность усилий становится больше усилия со стороны пружины 71, паровой клапан 21 начинает подниматься, открывая доступ газообразной фазе в трубопровод 65 и далее к паровпуску турбины. По мере повышения температуры рабочего тела за парогенератором датчик 19 температуры, являющийся штоком обводного клапана 28, удлиняется больше, чем корпус 60, так как выполнен из материала с большим коэффициентом теплового расширения, чем у материала корпуса. Поэтому обводной клапан 28 начинает постепенно закрываться, и при температуре, несколько ниже номинальной, полностью перекрывает поступление рабочего тела в полость регенеративного подогревателя. В результате весь поток из парогенератора направляется по каналу 64 в полость внутри корпуса 58 сепаратора. Паровой клапан 21 при этом полностью открыт, так как после закрытия клапана 28 давление внутри полости сильфона 70 резко падает, приближаясь по своему значению к давлению за турбиной. В трубопровод 65 и к паровпуску турбины поступает отсепарированный от влаги пар, а влага сливается через дренажный клапан 24. При повышении температуры пара сверх номинального значения дальнейшее удлинение штока датчика 19 температуры вызывает его работу на продольный изгиб.
Автоматическое поддержание частоты вращения роторов турбины и генератора, а следовательно, в большей степени и стабилизация параметров электрического тока, вырабатываемого данной установкой, осуществляется регулирующим клапаном, установленным на подводе пара к турбине. Управление этим клапаном по сигналу гидродинамического датчика частоты вращения измерительного насоса 9 выполняется гидромеханическим усилителем (см. фиг. 9). Например, при увеличении частоты вращения роторов турбины и насосов, в том числе насоса 9, возрастает давление в камере 119 снаружи сильфона 116, и золотник 112, преодолевая усилие пружины 118, смещается вверх. Через окна 129, открытые поршеньком 131, рабочее тело из камеры 122 от насоса поступает в полость 127, и поршень 113 и смещается вверх, перемещая шток 114 регулирующего клапана в сторону его закрытия. Кроме того, при движении золотника 112 вверх его поршенек 126 открывает окна 124, камера 123 сообщается через камеру 120 с линией всасывания измерительного насоса 9, и давление над поршнем 115 изодромного устройства снижается. Поршень 115 начинает двигаться вверх, причем это движение происходит медленнее, чем движение поршня 113, так как окна 124 (и 125) выполнены с уменьшенным проходным сечением. Движение вверх поршня 115 приводит к уменьшению натяга пружины 118, к дополнительному перемещению вверх золотника 112 и поршня 113 и к дополнительному закрытию регулирующего клапана турбины. Этим достигается изодромное действие гидромеханического усилителя. Динамический и остаточный статизм такого изодромного регулирования определяется соотношением жесткостей сильфона 116 и пружины 118.
При отклонении частоты вращения в сторону ее снижения действие элементов гидромеханического усилителя происходит аналогичным образом, но в противоположную сторону.
Если привод регулирующего клапана выполнен в виде электромеханического усилителя, то датчик частоты вращения целесообразно и иметь электрическим (см. фиг. 10). Специальный датчик 145 или электрический генератор 5 подают сигнал об изменении частоты вращения на вход преобразователя 142, где отклонение частоты или напряжения преобразуется в сигнал на входе формирователя 141. Через сумматор 140 сигнал об изменении частоты вращения подается на управляющий блок 139, что приводит к изменению тока в катушке 134 и усилия, действующего на якорь 135 и уравновешиваемого пружиной 136. В результате шток 137 смещает регулирующий клапан 22 так, чтобы ограничить отклонение частоты вращения роторов турбины и связанных с ней агрегатов. Обратная связь по перемещению клапана осуществляется сигналом датчика 144, подаваемым на вход сумматора 140. В управляющем блоке 139 могут быть реализованы при необходимости более сложные законы регулирования, включая воздействие по производной и интегралу отклонения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА с низкопотенциальным источником теплоты, содержащая корпус, котором размещены конденсатосборник, связанные между собой посредством роторов, снабженных подшипниками, электрический генератор, турбина с паровпуском и выхлопным патрубком и питательный насос с входным и выходным патрубками, размещенные вне корпуса парогенератор и теплообменник конденсатора, первый из которых помещен в зоне источника теплоты, а второй - в зоне приемника теплоты, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена регенеративным подогревателем, сепаратором, причем вход регенеративного подогревателя по греющей среде подключен к выхлопному патрубку турбины, выход - к теплообменнику конденсатора, а по нагреваемой среде вход - к выходному патрубку питательного насоса, а выход - к входу парогенератора, сепаратор выполнен в виде емкости с поплавковой камерой, помещенным в нее поплавком, дренажным клапаном, кинематически соединенным с поплавком, дренажным трубопроводом и сбросным трубопроводом с дросселем, при этом сепаратор размещен в корпусе и включен в трубопровод между парогенератором и паровпуском турбины, а дренажный и сбросной трубопроводы соединены с полостью регенеративного подогревателя.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в дренажный трубопровод между сепаратором и полостью регенеративного подогревателя подключен охладитель дренажа, вход которого по нагреваемой среде подключен к регенеративному подогревателю, а выход - к парогенератору.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена штуцером для присоединения пускового вакуум-насоса с обратным клапаном и заглушкой и вакуумметром, причем штуцер и вакуумметр установлены снаружи корпуса и соединены с его полостью.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками давления и температуры, установленными на трубопроводе между парогенератором и сепаратором.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор снабжен паровым и обводным клапанами, причем паровой клапан включен между внутренней полостью сепаратора и паровпуском турбины и соединен с датчиком давления, а обводной клапан включен в сбросной трубопровод и соединен с датчиком температуры.
6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена электрическим аккумулятором и переключателем, которые последовательно подключены к электрическому генератору.
7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что к электрическому аккумулятору подключены управляемый инвертор и переключатель, соединенный с выходом инвертора и электрическим генератором.
8. Установка по пп.6 и 7, отличающаяся тем, что она снабжена двумя пороговыми элементами и логическим элементом И, причем датчики давления и температуры подключены через пороговые элементы к входам логического элемента И, выход второго подсоединен к переключателю.
9. Установка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что она снабжена пусковым резервуаром, выполненным в виде корпуса из теплопроводного материала с двумя входными и одним выходным трубопроводами, и двумя обратными клапанами, включенными во входные трубопроводы, причем первый входной трубопровод, полость пускового резервуара и выходной трубопровод включены последовательно в рассечку трубопровода между регенеративным подогревателем и парогенератором, второй входной трубопровод подсоединен к конденсатосборнику, а пусковой резервуар помещен в зоне источника теплоты.
10. Установка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что она снабжена пусковым насосом с входным и выходным патрубками и двумя обратными клапанами, причем входной патрубок пускового насоса подсоединен к конденсатосборнику, выходной патрубок - к трубопроводу между выходным патрубком питательного насоса и регенеративным подогревателем по нагреваемой среде, а обратные клапаны установлены последовательно с входными патрубками питательного и пускового насосов.
11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что пусковой насос снабжен ручным или ножным приводом.
12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что пусковой насос выполнен в виде жесткой пластины и сильфона, один торец которого прикреплен к пластине, а второй - к нижней части корпуса, привод кинематически связан с пластиной, а один из обратных клапанов присоединен к внутренней полости сильфона.
13. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что пусковой насос снабжен электрическим приводом и аккумулятором.
14. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что электрический генератор снабжен охлаждающей камерой, которая выполнена в его корпусе и внутренняя полость которой включена в рассечку трубопровода между регенеративным подогревателем и парогенератором.
15. Установка по пп.1 и 10, отличающаяся тем, что питательный насос выполнен центробежным и снабжен шнеком, размещенным в его входном патрубке и укрепленным на роторе насоса.
16. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вентилятором с электрическим приводом, причем вентилятор установлен в зоне теплообменника конденсатора, а его электрический привод подключен к выходу электрического генератора.
17. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена циркуляционным насосом с электрическим приводом, с входным и выходным патрубками и обратным клапаном, а теплообменник конденсатора снабжен кожухом с подводящим и отводящим трубопроводами, причем подводящий трубопровод соединен с выходным патрубком циркуляционного насоса, обратный клапан установлен во входном патрубке, который погружен под уровень воды, а электрический привод циркуляционного насоса подключен к выходу электрического генератора.
18. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными трубопроводами, подключенными к трубопроводу между регенеративным подогревателем и парогенератором и к подшипникам роторов турбины и электрического генератора.
19. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком частоты вращения и регулирующим клапаном с приводом и датчиком обратной связи, причем регулирующий клапан установлен на трубопроводе перед паровпуском турбины, а датчик частоты вращения кинематически связан с ротором турбины и подключен к приводу регулирующего клапана.
20. Установка по п. 19, отличающаяся тем, что датчик частоты вращения выполнен в виде измерительного насоса с входным и выходным патрубками, а привод регулирующего клапана - в виде гидромеханического усилителя, причем входной патрубок измерительного насоса соединен с полостью низкого давления рабочего тела, а выходной патрубок - с гидромеханическим усилителем.
21. Установка по п.20, отличающаяся тем, что гидромеханический усилитель снабжен изодромным устройством.
22. Установка по п.19, отличающаяся тем, что привод регулирующего клапана выполнен в виде электромеханического усилителя, снабженного сумматором, подключенным к его входу, и преобразователем, подключенным своим выходом к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к датчику обратной связи.
23. Установка по п.22, отличающаяся тем, что вход преобразователя подключен к выходу электрического генератора.
24. Установка по п. 20, отличающаяся тем, что датчик частоты вращения выполнен электрическим, а вход преобразователя подключен к выходу этого датчика.
25. Установка по пп.19 - 24, отличающаяся тем, что регулирующий клапан снабжен камерой обогрева, выполненной в наружной части корпуса клапана и полость которой включена в рассечку трубопровода между парогенератором и сепаратором.
Версия для печати
Дата публикации 16.02.2007гг
Created/Updated: 25.05.2018