PL217172B1 - Steam power plant with hermetic steam turbogenerator - Google Patents

Abstract

Elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym z głównym obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku, biegnącym od podgrzewacza (6) i wytwornicy pary (5) do turbiny (2) umieszczonej wraz z generatorem elektrycznym (3) wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu (1), następnie do skraplacza (7), zbiornika buforowego (14) i przez pompę obiegową (8) do podgrzewacza (6), gdzie czynnikiem chłodzącym generator elektryczny (3) jest rozprężona para czynnika roboczego, przy czym wlot sprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie (1) przed turbiną (2), a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie (1) za generatorem (3) charakteryzuje się tym, że ma dodatkowy, wewnętrzny obieg cieczy czynnika roboczego do smarowania łożysk ślizgowych zespołu wirującego turbogeneratora, który składa się z przewodu zasilającego (12) połączonego z głównym obiegiem czynnika roboczego za pompą obiegową (8), z korpusów łożysk ślizgowych turbogeneratora oraz przewodu odprowadzającego (10) połączonego ze zbiornikiem buforowym (14) a także z zawierającego pompę awaryjną (15) przewodu (18) idącego od zbiornika buforowego (14) do przewodu zasilającego (12), przy czym na przewodach (12) i (18), przed punktem ich połączenia, znajdują się zawory zwrotne, odpowiednio (16) i (17).Steam power plant with a hermetic steam turbogenerator with the main thermal cycle operating on a low-boiling medium, running from the heater (6) and steam generator (5) to the turbine (2) placed with the electric generator (3) inside a common sealed body (1), then to condenser (7), buffer tank (14) and through the circulation pump (8) to the heater (6), where the cooling factor of the electric generator (3) is the expanded steam of the working medium, and the inlet of the compressed steam of the working medium is located in the body (1 ) in front of the turbine (2), and the outlet of the expanded steam of the working medium is located in the body (1) behind the generator (3) and is characterized by an additional internal circulation of the working medium liquid to lubricate the sliding bearings of the rotating unit of the turbogenerator, which consists of the supply line (12) connected to the main circulation of the working medium after the circulation pump (8), from the turbogenerator slide bearing bodies and the discharge line (10) connected to the buffer tank (14), as well as from the line (18) containing the emergency pump (15). from the buffer tank (14) to the supply line (12), and on the lines (12) and (18), before their connection point, there are check valves, respectively (16) and (17).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym z obiegiem cieplnym elektrowni, w których jako czynniki obiegowe stosuje się czynniki robocze niskowrzące inne niż woda oraz elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym. Elektrownia wykorzystuje organiczny obieg Rankine'a (elektrownia ORC).The subject of the invention is a steam power plant with a hermetic steam turbogenerator with a thermal cycle of power plants, in which low-boiling working media other than water are used as circulating media, and a steam power plant with a hermetic steam turbogenerator. The power plant uses an organic rankine cycle (ORC power plant).

Znany jest z opisu polskiego zgłoszenia wynalazku P 390472 hermetyczny turbogenerator parowy stosowany w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, w którym czynnikiem chłodzącym generator elektryczny, umieszczony wraz z turbiną parową wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu, jest rozprężona w turbinie parowej para czynnika roboczego. Wlot sprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie przed turbiną parową. Wylot rozprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie za generatorem elektrycznym. Z opisu wynalazku GB1083239 znany jest system generowania mocy, w którym czynnik jest ogrzewany w wytwornicy pary, rozprężany na turbinie, chłodzony w skraplaczu do cieczy i następnie podawany do wytwornicy pary, przy czym czynnikiem roboczym jest tiofen. W rozwiązaniu tym tiofen jest czynnikiem smarującym łożyska turbiny. Rozwiązanie to nie dotyczy turbogeneratora hermetycznego oraz nie zawiera przewodu odprowadzającego z łożysk czynnik smarujący w fazie ciekłej. Z opisu wynalazku US 29561550 znana jest przenośna mikro-elektrownia pracująca na obiegu pary rtęci. Układ zawiera hermetyczny turbogenerator i smarowanie łożysk zespołu wirującego za pomocą czynnika roboczego w stanie ciekłym, podawanego pod niskim ciśnieniem ze skraplacza. Rozwiązanie nie dotyczy turbogeneratora chłodzonego parą czynnika roboczego i nie nadaje się do przypadków, gdy czynnikiem roboczym jest czynnik niskowrzący. Z opisu wynalazku US 20110047958 znana jest elektrownia parowa zawierająca turbinę z generatorem, czynnik roboczy zmieszany ze smarem, parowacz, skraplacz, pompę. Czynnikiem roboczym jest mieszanina HFE i smaru w postaci fluorowego oleju. Część czynnika roboczego, o dużej zawartości środka smarującego, wydzielana jest w wytwornicy pary i służy do smarowania łożysk tocznych. Z międzynarodowej publikacji WO 9205342 znana jest metoda zabezpieczania smarowania łożysk w hermetycznej maszynie wysokoobrotowej pracującej w obiegu ORC, w której to metodzie w przypadku awaryjnego zatrzymania pracy głównego obiegu parowacz, poprzez połączenie z maszyną wysokoobrotową i odpowiedni system zaworów, zabezpiecza smarowanie łożysk wirnika wykorzystując narastające w nim ciśnienie. Rozwiązanie to nie dotyczy hermetycznego turbogeneratora chłodzonego parą czynnika roboczego oraz nie uwzględnia bezwładności procesów cieplnych w parowaczu, wskutek której awaryjne zasilanie łożysk nie jest w rzeczywistości możliwe. Znana jest z opisu polskiego zgłoszenia wynalazku P 390472 elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym, w której czynnikiem chłodzącym generator elektryczny, umieszczony wraz z turbiną parową wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu, jest rozprężona para czynnika roboczego. Wlot sprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie przed turbiną parową. Na turbinie parowej rozpręża się czynnik roboczy. Wylot rozprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie za generatorem elektrycznym. Rozprężona para czynnika roboczego omywając generator elektryczny chłodzi go odbierając od niego ciepło.It is known from the description of the Polish patent application P 390472 hermetic steam turbogenerator used in steam power plants with a thermal cycle operating on a low-boiling working medium, in which the cooling medium of the electric generator, placed together with the steam turbine inside a common sealed body, is the steam of the working medium expanded in the steam turbine . The inlet of the compressed steam of the working medium is located in the body in front of the steam turbine. The outlet of the expanded steam of the working medium is located in the body behind the electric generator. From the description of the invention GB1083239 a power generating system is known, in which the medium is heated in a steam generator, expanded on a turbine, cooled in a liquid condenser and then fed to the steam generator, the working medium being thiophene. In this solution, thiophene is the lubricant of the turbine bearings. This solution does not apply to a hermetic turbogenerator and does not include a conduit discharging the lubricant in the liquid phase from the bearings. From the description of the invention US 29561550 a portable micro power plant operating on the mercury vapor cycle is known. The system includes a hermetic turbogenerator and lubrication of the rotating assembly bearings with a liquid working medium supplied at low pressure from the condenser. The solution does not apply to a steam-cooled turbogenerator and is not suitable for cases where the working medium is a low-boiling medium. From the description of the invention US 20110047958 there is known a steam power plant comprising a turbine with a generator, a working medium mixed with a lubricant, an evaporator, a condenser, a pump. The operating medium is a mixture of HFE and the lubricant in the form of fluorine oil. Part of the working medium with a high lubricant content is released in the steam generator and is used to lubricate rolling bearings. The international publication WO 9205342 describes a method of securing the lubrication of bearings in a hermetic high-speed machine operating in the ORC cycle, in which, in the event of an emergency stop of the main cycle, the evaporator, through connection with the high-speed machine and an appropriate valve system, protects the lubrication of the rotor bearings using the increasing pressure. This solution does not apply to a hermetic steam-cooled turbogenerator and does not take into account the inertia of thermal processes in the evaporator, as a result of which emergency power supply to the bearings is in fact impossible. A steam power plant with a hermetic steam turbogenerator is known from the description of the Polish patent application P 390472, in which the cooling medium of the electric generator, placed together with the steam turbine inside a common sealed body, is an expanded steam of the working medium. The inlet of the compressed steam of the working medium is located in the body in front of the steam turbine. The working medium is depressurized in the steam turbine. The outlet of the expanded steam of the working medium is located in the body behind the electric generator. The expanded steam of the working medium, washing the electric generator, cools it by receiving heat from it.

Celem wynalazku jest stworzenie rozwiązania pozwalającego na smarowanie łożysk ślizgowych w hermetycznym turbogeneratorze chłodzonym parą czynnika obiegowego, pracującym w typowej elektrowni parowej ORC o średniej wielkości mocy, bez obniżenia sprawności elektrowni i z pominięciem dodatkowych czynników smarujących oraz posiadającym skuteczne zabezpieczenie łożyskowania zespołu wirującego przed skutkami awarii głównego obiegu cieplnego elektrowni.The aim of the invention is to create a solution that allows the lubrication of slide bearings in a hermetic steam-cooled turbogenerator, operating in a typical ORC steam power plant of medium power, without reducing the efficiency of the power plant and omitting additional lubricants, and having effective protection of the rotating assembly bearing against the consequences of failure of the main cycle thermal power plant.

Elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym według wynalazku, z pracującym na nisko wrzącym czynniku obiegiem cieplnym biegnącym od podgrzewacza i wytwornicy pary do turbiny umieszczonej wraz z generatorem elektrycznym na wspólnym wale wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu, następnie do skraplacza, zbiornika buforowego i przez pompę obiegową do podgrzewacza, który to obieg cieplny stanowi główny obieg czynnika roboczego. Czynnikiem chłodzącym generator elektryczny jest rozprężona para czynnika roboczego i wlot sprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie przed turbiną parową, a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie za generatorem elektrycznym. Istota wynalazku polega na tym, że ma dodatkowy, wewnętrzny obieg cieczy czynnika roboczego do smarowania łożysk ślizgowych składający się z przewodu zasilającego, połączonego z głównym obiegiem czynnika roboczego za pompą obiegową, z korpusów łożysk ślizgowych i przewodu odprowadzającego zasadniczą częśćSteam power plant with a hermetic steam turbine according to the invention, with a low-boiling thermal circuit running from the heater and steam generator to a turbine located together with the electric generator on a common shaft inside a common sealed body, then to the condenser, buffer tank and through the circulation pump to the heater which heat circuit constitutes the main circuit of the working medium. The electric generator is cooled by the expanded steam of the working medium and the inlet of the compressed steam of the working medium is located in the body in front of the steam turbine, and the outlet of the expanded steam of the working medium is located in the body behind the electric generator. The essence of the invention consists in the fact that it has an additional, internal circulation of the working medium fluid for lubricating the sliding bearings, consisting of a supply line connected to the main circulation of the working medium downstream of the circulating pump, of the sliding bearing bodies and the main part of the discharge conduit.

PL 217 172 B1 cieczy do zbiornika buforowego znajdującego się przed pompą obiegową. Pozostała część cieczy rozprężona w uszczelnieniach łożysk do postaci parowej kierowana jest do skraplacza głównym obiegiem czynnika roboczego wraz ze strumieniem pary wylotowej z turbiny. Do przewodu zasilającego łożyska doprowadzony jest ze zbiornika buforowego dodatkowy przewód zasilający zawierający awaryjną pompę zasilania łożysk, na wypadek awarii głównej pompy obiegowej. Na wymienionych wyżej przewodach zasilających łożyska, przed miejscem ich złączenia, znajdują się zawory zwrotne.Into a buffer tank upstream of the circulation pump. The remaining part of the liquid, expanded to vapor form in the bearing seals, is directed to the condenser by the main circulation of the working medium along with the stream of steam from the turbine. From the buffer tank, an additional supply line is connected to the bearing supply line with an emergency bearing supply pump in the event of failure of the main circulation pump. There are non-return valves on the above-mentioned bearing supply lines, before the connection point.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że pozwala ono na długookresowe smarowanie łożysk turbogeneratora, w odróżnieniu do znanego hermetycznego turbogeneratora. Dodatkowo pozwala ono na smarowanie łożysk ślizgowych zapewniających długotrwałą nieprzerwaną pracę turbogeneratora wymaganą dla warunków przemysłowych. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na doprowadzenie czynnika smarującego - cieczy czynnika roboczego - pod wysokim ciśnieniem w stosunku do ciśnienia panującego na zewnątrz łożyska. Zaletą rozwiązania jest to, że nie wprowadza dodatkowego czynnika smarującego tylko wykorzystuje czynnik roboczy, co zapewnia jednolitość i czystość czynnika roboczego, a co za tym idzie nie obniża sprawności elektrowni. W proponowanym rozwiązaniu nie trzeba dodatkowo uszczelniać łożysk i zabezpieczać ich przed mieszaniem się smaru z czynnikiem roboczym. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność stosowania skomplikowanego układu wychwytywania i separacji oleju stosowanego w standardowych rozwiązaniach w łożyskach jako środka smarującego. Dodatkowo, ponieważ układy wychwytywania i separacji nie działają perfekcyjnie, smarowanie łożysk czynnikiem roboczym eliminuje konieczność okresowej wymiany kosztownego czynnika roboczego w obiegu elektrowni ze względu na jego zanieczyszczenie pogarszające sprawność pracy elektrowni. Istotną zaletą rozwiązania według wynalazku jest skuteczne zabezpieczenie zespołu łożyskowego układu wirującego turbogeneratora przed skutkami awarii głównego obiegu cieplnego elektrowni.An advantage of the solution according to the invention is that it allows long-term lubrication of the bearings of the turbo generator, unlike the known hermetic turbo generator. In addition, it allows the lubrication of slide bearings ensuring long-term uninterrupted operation of the turbogenerator required for industrial conditions. The solution according to the invention allows for the supply of the lubricant - the fluid of the working medium - under high pressure in relation to the pressure outside the bearing. The advantage of this solution is that it does not introduce an additional lubricant, but only uses the working medium, which ensures uniformity and cleanliness of the working medium, and thus does not reduce the efficiency of the power plant. In the proposed solution, it is not necessary to additionally seal the bearings and protect them against mixing between the grease and the working medium. This solution eliminates the need for a complicated oil capture and separation system used in standard bearing solutions as a lubricant. In addition, because the capture and separation systems do not work perfectly, lubricating the bearings with the working medium eliminates the need for periodic replacement of the expensive working medium in the power plant cycle due to its contamination deteriorating the efficiency of the power plant operation. A significant advantage of the solution according to the invention is the effective protection of the bearing unit of the rotating system of the turbogenerator against the consequences of failure of the main thermal circuit of the power plant.

Niniejszy wynalazek jest bliżej przedstawiony w poniższym przykładzie wykonania i na rysunku, na którym przedstawiono elektrownię parową z dodatkowym wewnętrznym obiegiem cieczy roboczej do smarowania łożysk.The present invention is further illustrated in the following embodiment and in the drawing, which shows a steam power plant with an additional internal working fluid circuit for lubricating the bearings.

Obieg parowy elektrowni ORC służy do konwersji niskotemperaturowego ciepła na energię elektryczną. W głównym obiegu krąży specjalny czynnik roboczy, najczęściej organiczny. Czynnik roboczy przepływa przez podgrzewacz 6 i wytwornicę pary 5, w których odbiera ciepło od nośnika energii 9. Następnie czynnik roboczy w postaci gorącej pary kierowany jest do turbiny 2, w której wskutek jego rozprężenia generowana jest moc mechaniczna. Turbina poprzez połączenie wałem 4 napędza generator 3. Turbina 2 i generator 3 umieszczone są we wspólnym hermetycznym korpusie 1. Generator 3 chłodzony jest parą czynnika organicznego płynącą z wylotu turbiny, rozprężoną i mającą obniżoną temperaturę. Para czynnika, po opuszczeniu przestrzeni wewnątrz wspólnego korpusu 1, kierowana jest przewodem 13 kolejno do skraplacza 7, w którym dzięki czynnikowi chłodzącemu 11 jest schładzana i skraplana. Powstała ciecz czynnika roboczego płynie ze skraplacza 7 poprzez zbiornik buforowy 14 do pompy 8, a następnie kierowana jest ponownie do podgrzewacza 6 i cały cykl się powtarza. Do głównego obiegu czynnika roboczego dołączony jest dodatkowy, wewnętrzny obieg cieczy czynnika roboczego pozwalający na smarowanie łożysk ślizgowych bez dodatkowego czynnika, tylko czynnikiem roboczym. Za pompą obiegową 8 przyłączony jest przewód zasilający 12 doprowadzający pod wysokim ciśnieniem ciecz czynnika roboczego do korpusu łożysk wału 4. Ciecz czynnika roboczego smaruje łożyska jednocześnie się rozprężając. Wylot rozprężonej cieczy czynnika roboczego z korpusu łożysk połączony jest z przewodem odprowadzającym 10 czynnik roboczy do zbiornika buforowego 14. Część cieczy rozprężona w uszczelnieniach łożysk do postaci parowej kierowana jest do skraplacza przewodem 13 wraz z głównym strumieniem pary wylotowej z turbiny. Do przewodu zasilającego 12 doprowadzającego ciecz czynnika roboczego do łożysk dołączony jest przewód 18 biegnący od zbiornika buforowego 14 i zawierający awaryjną pompę 15 dla zasilania łożysk. Na przewodach 12 i 18, przed punktem ich połączenia, znajdują się zawory zwrotne, odpowiednio 16 i 17. W przypadku awarii głównej pompy 8 bądź innej przyczyny spadku ciśnienia w głównym obiegu czynnika roboczego odpowiedni układ automatyki elektrowni odłączy generator od sieci i załączy jednocześnie pompę awaryjną 15, umożliwiając wybieg zespołu wirującego turbogeneratora bez uszkodzenia łożysk.The ORC steam cycle converts low-temperature heat into electricity. A special working medium, most often organic, circulates in the main circuit. The working medium flows through the heater 6 and the steam generator 5, in which it receives heat from the energy carrier 9. Then the working medium in the form of hot steam is directed to the turbine 2, in which mechanical power is generated as a result of its expansion. The turbine, through the shaft 4 connection, drives the generator 3. The turbine 2 and the generator 3 are placed in a common hermetic casing 1. The generator 3 is cooled by the organic medium vapor flowing from the turbine outlet, expanded and having a reduced temperature. The refrigerant vapor, after leaving the space inside the common body 1, is directed through the conduit 13 successively to the condenser 7, in which, thanks to the refrigerant 11, is cooled and condensed. The resulting working medium liquid flows from the condenser 7 through the buffer tank 14 to the pump 8, and then it is again directed to the heater 6 and the whole cycle is repeated. An additional, internal circulation of the working medium fluid is attached to the main circuit of the working medium, which allows the lubrication of the slide bearings without additional medium, only with the working medium. Downstream of the circulating pump 8, a supply line 12 is connected, which supplies the fluid of the working medium under high pressure to the bearing housing of the shaft 4. The liquid of the working medium lubricates the bearings while expanding. The outlet of the expanded liquid of the working medium from the bearing housing is connected with the conduit 10 of the working medium to the buffer tank 14. Part of the liquid expanded to vapor form in the bearing seals is directed to the condenser through the conduit 13 along with the main stream of steam from the turbine. Connected to the supply line 12 for the liquid supply of the working medium to the bearings is a line 18 extending from the buffer tank 14 and containing an emergency pump 15 for supplying the bearings. On lines 12 and 18, before the point of their connection, there are check valves 16 and 17, respectively. In the event of failure of the main pump 8 or any other cause of pressure drop in the main circuit of the working medium, the appropriate automation system of the power plant will disconnect the generator from the network and simultaneously turn on the emergency pump 15, allowing the turbo generator rotating assembly to coast without damaging the bearings.

Claims (1)

Elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym, z pracującym na niskowrzącym czynniku obiegiem cieplnym biegnącym od podgrzewacza i wytwornicy pary do turbiny umieszczonej wraz z generatorem elektrycznym wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu, następnie do skraplacza, zbiornika buforowego i przez pompę obiegową do podgrzewacza, gdzie czynnikiem chłodzącym generator elektryczny jest rozprężona para czynnika roboczego, przy czym wlot sprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie przed turbiną parową, a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego umiejscowiony jest w korpusie za generatorem elektrycznym, znamienna tym, że ma dodatkowy, wewnętrzny obieg cieczy czynnika roboczego smarującej łożyska ślizgowe turbogeneratora i obieg ten składa się z przewodu zasilającego (12) ciecz połączonego z głównym obiegiem czynnika roboczego za pompą obiegową (8), z korpusów łożysk ślizgowych wału (4) i z przewodu odprowadzającego ciecz (10) połączonego z głównym obiegiem czynnika roboczego za skraplaczem, korzystnie w miejscu zbiornika buforowego (14) przed pompą obiegową (8) oraz z przewodu (18) wychodzącego ze zbiornika buforowego (14) i poprzez pompę awaryjną (15) połączonego z przewodem zasilającym (12), przy czym na przewodzie zasilającym (12) i przewodzie (18), przed punktem ich połączenia, znajdują się zawory zwrotne, odpowiednio (16) i (17).Steam power plant with a hermetic steam turbogenerator, with a thermal circuit operating on a low-boiling factor running from the heater and steam generator to a turbine located together with the electric generator inside a common sealed body, then to the condenser, buffer tank and through the circulation pump to the heater, where the electric generator coolant there is expanded steam of the working medium, the inlet of the compressed steam of the working medium is located in the body in front of the steam turbine, and the outlet of the expanded steam of the working medium is located in the body behind the electric generator, characterized in that it has an additional, internal circulation of the working medium liquid lubricating the slide bearings turbogenerator and this cycle consists of a liquid supply line (12) connected to the main circulation of the working medium downstream of the circulation pump (8), from the shaft slide bearing bodies (4) and the liquid discharge line (10) connected with the main circulation after the condenser, preferably at the location of the buffer tank (14) in front of the circulation pump (8) and from the line (18) coming from the buffer tank (14) and through the emergency pump (15) connected to the supply line (12), in the supply line (12) and in the line (18), upstream of their connection point, there are check valves (16) and (17) respectively.