RU2050441C1 - Method of using steam for generating electric power - Google Patents

Abstract

FIELD: heat power engineering. SUBSTANCE: steam is fed to the working chamber of the screw expansion machine wherein potential energy of the steam is directly converted into mechanical work and then into electric power. Moisture of the steam is maintained in the range of 0.6-0.1. The liquid, separating out in the screw expansion machine resulting from the stratification, serves for sealing spaces between the inner surface of the housing and rotors of the expansion machine. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях за счет использования энергии пара. The invention relates to a power system, in particular, to produce electrical energy at thermal power plants through the use of steam energy.

Известен способ использования энергии пара для производства электрической энергии, включающий производство пара в парогенераторе, превращение в соплах турбины потенциальной энергии давления пара в кинетическую энергию струи, трансформацию кинетической энергии на лопатках турбины в механическую энергию вращения ротора, передачу произведенной механической энергии к электрогенератору и превращение ее в электрическую энергию. A known method of using steam energy for the production of electric energy, including the production of steam in a steam generator, converting the potential pressure energy of the steam pressure into the kinetic energy of the jet in the nozzles of the turbine, transforming the kinetic energy on the turbine blades into mechanical energy of rotor rotation, transferring the generated mechanical energy to the generator and converting it into electrical energy.

Указанный способ широко и успешно реализуется в существующих тепловых паротурбинных электрических станциях, работающих по циклу Ренкина. The specified method is widely and successfully implemented in existing thermal steam turbine power plants operating on the Rankine cycle.

В то же время в условиях сегодняшнего дефицита производства электрической энергии существует необходимость производить ее децентрализовано на базе существующих мелких и средних котельных, вырабатывающих в ограниченном количестве насыщенный водяной пар невысоких параметров, т.е. путем создания миниТЭЦ. At the same time, in the current shortage of electric energy production, there is a need to produce it decentralized on the basis of existing small and medium-sized boiler plants that produce a limited amount of saturated water vapor of low parameters, i.e. by creating a mini CHP.

Способ, принятый за прототип, характеризуется следующими признаками, общими с предлагаемым способом и заключающимися в подаче и расширении пара в тепловом двигателе с последующим преобразованием в электрическую энергию. Применительно к аналогичному в части процесса расширения пара циклу Карно с учетом условий работы теплосилового оборудования практически осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре условия работы проточных частей турбин оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный КПД этих машин снижается. The method adopted for the prototype is characterized by the following features common to the proposed method and consisting in the supply and expansion of steam in a heat engine with subsequent conversion to electrical energy. In relation to the Carnot cycle, which is similar in terms of the process of expansion of steam, taking into account the operating conditions of heat-power equipment, the implementation of this cycle is practically inappropriate, since when working on wet steam, the operating conditions of the turbine flow parts are difficult, the flow is gasdynamically imperfect and the internal relative efficiency of these machines decreases.

В то же время в рассматриваемых условиях работы турбины при относительно небольших объемных расходах пара приходится заметно уменьшать высоту лопаток турбины или увеличивать частоту вращения ротора, что уменьшает КПД парового двигателя. At the same time, under the turbine operating conditions under consideration, at relatively low volumetric flow rates of steam, it is necessary to significantly reduce the height of the turbine blades or increase the rotor speed, which reduces the efficiency of the steam engine.

Кроме того, подача в турбину влажного насыщенного водяного пара, содержащего капельную жидкость, а также образование жидкости в процессе частичной конденсации пара при его расширении приводят, с одной стороны, к уменьшению КПД машины за счет гидравлических потерь (1% жидкости 1% уменьшения КПД), а также к эрозионному износу лопаточного аппарата, что снижает надежность и долговечность турбины. Известные мероприятия по сепарации влажного пара перед турбиной и по отводу жидкости, образовавшейся в процессе расширения пара, недостаточно эффективны. In addition, the supply of moist saturated water vapor containing droplet liquid to the turbine, as well as the formation of liquid during partial steam condensation during expansion, on the one hand, leads to a decrease in machine efficiency due to hydraulic losses (1% liquid, 1% decrease in efficiency) , as well as erosive wear of the blade apparatus, which reduces the reliability and durability of the turbine. Known measures for the separation of wet steam in front of the turbine and for the removal of liquid formed during the expansion of the steam are not effective enough.

Качество подготовки питательной воды (степень обессоливания) в малых и средних котельных значительно ниже, чем для энергетических котлов, работающих на паровые турбины. Поэтому в случае установки турбоагрегатов в таких котельных в отдельных элементах турбины возможно локальное вскипание капельной жидкости, которое сопровождается отложением солей на этих элементах, что с течением времени увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает надежность турбины вследствие заноса проточной части. The quality of the preparation of feed water (degree of desalination) in small and medium-sized boiler plants is significantly lower than for power boilers operating on steam turbines. Therefore, in the case of installing turbine units in such boiler rooms in individual elements of the turbine, local boiling of droplet liquid is possible, which is accompanied by the deposition of salts on these elements, which over time increases the hydraulic resistance and reduces the reliability of the turbine due to skidding of the flow part.

И, наконец, известно, что КПД турбинного двигателя резко снижается при отклонении режима его работы от номинального. Это также снижает общую эффективность классического способа в условиях переменных тепловых нагрузок и необходимости работы противодавленческой турбины по тепловому графику. And, finally, it is known that the efficiency of a turbine engine decreases sharply when its operating mode deviates from the nominal one. It also reduces the overall efficiency of the classical method under conditions of variable thermal loads and the need for a backpressure turbine to operate according to a thermal schedule.

Наличие описанных недостатков явилось причиной неприменения указанного способа для производства электрической энергии на базе мелких и средних котельных. The presence of the described disadvantages was the reason for the non-use of this method for the production of electric energy on the basis of small and medium-sized boiler houses.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности преобразования энергии пара при производстве электроэнергии в условиях малых и средних котельных, при этом технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, возможность использования влажного пара, выбрасываемого на малых и средних котельных не только для целей теплофикации, но и для производства электроэнергии. The problem to which the invention is directed, is to increase the efficiency of conversion of steam energy in the production of electricity in conditions of small and medium-sized boiler plants, while the technical result that can be obtained by implementing the method, the possibility of using wet steam emitted from small and medium-sized boiler plants is not not only for the purpose of heating, but also for the production of electricity.

Это достигается тем, что по способу использования энергии пара для производства электроэнергии, заключающемуся в генерировании пара, подача его в тепловой двигатель, расширении его с последующим преобразованием энергии расширения пара в механическую энергию, которую преобразуют в электрическую, влажность генерируемого пара поддерживают в диапазоне 0,6-1, расширение пара ведут в винтовом детандере, в рабочую камеру которого подают пар, стратифицируют его на пар и жидкость, преобразуя в процессе расширения потенциальную энергию пара непосредственно в механическую, воздействуя при этом на ротор детандера, кинематически связанный с приводом генератора электроэнергии, причем стратифицированную жидкость используют для создания уплотнения зазоров между внутренней поверхостью корпуса и ротоpом детандера. This is achieved by the fact that according to the method of using steam energy to generate electricity, which consists in generating steam, supplying it to a heat engine, expanding it, followed by converting the expansion energy of steam into mechanical energy, which is converted into electrical energy, the humidity of the generated steam is maintained in the range 0, 6-1, the expansion of the steam is carried out in a screw expander, in which steam is supplied to the working chamber, it is stratified into steam and liquid, transforming the potential energy of the vapor during expansion backhoes into mechanical, acting thus on expander rotor is kinematically connected to drive a generator of electricity, the stratified fluid is used for sealing gaps between the inner housing and over rotopom expander.

Способ может быть реализован в установке, схема которой приведена на чертеже. The method can be implemented in the installation, a diagram of which is shown in the drawing.

Установка содержит паровой котел 1, соединенный паропроводами с входом винтового детандера 2, при этом выход винтового детандера соединен паропроводом с потребителем пара или конденсатором 3. Один из роторов детандера соединен с генератором 4 электрического тока. На трубопроводе, соединяющем паровой котел и выход от потребителя, установлен питательный насос 5. The installation comprises a steam boiler 1 connected by steam lines to the input of the screw expander 2, while the output of the screw expander is connected by a steam pipe to a steam consumer or capacitor 3. One of the rotors of the expander is connected to an electric current generator 4. A feed pump 5 is installed on the pipeline connecting the steam boiler and the outlet from the consumer.

Согласно изобретению пар со степенью сухости 0,6-1 подают в винтовой детандер. Винтовой детандер относится к классу объемных машин, т.е. расширение газа в нем осуществляется в замкнутом объеме парной рабочей полости, образованной профилями зубьев роторов и стенками корпуса. According to the invention, steam with a degree of dryness of 0.6-1 is fed into a screw expander. The screw expander belongs to the class of volumetric machines, i.e. gas expansion in it is carried out in a closed volume of a paired working cavity formed by the profiles of the teeth of the rotors and the walls of the housing.

Конструктивно винтовой детандер аналогичен серийному винтовому компрессору и состоит из двух роторов, имеющих винтовую нарезку специального профиля, и корпус, в котором они вращаются. Отсутствие контакта роторов между собой обеспечивает пара синхронизирующих шестерен. Процесс расширения газа осуществляется одновременно, различаясь по фазе, в восьми парных полостях. Structurally, a screw expander is similar to a serial screw compressor and consists of two rotors having a screw thread of a special profile, and a housing in which they rotate. The lack of contact between the rotors provides a pair of synchronizing gears. The process of gas expansion is carried out simultaneously, varying in phase, in eight paired cavities.

Рабочий процесс в детандере состоит из следующих фаз: заполнение парной рабочей полости через специальное впускное окно, имеющееся в корпусе, отсечка парной рабочей полости от впускного окна, расширение рабочего тела в замкнутом объеме полости при ее увеличении, присоединение рабочей полости к выпускному окну в момент достижения ее максимального объема, выталкивание газа из рабочей полости при уменьшении ее объема до нуля. The working process in the expander consists of the following phases: filling the paired working cavity through a special inlet window available in the housing, cutting off the paired working cavity from the inlet window, expanding the working fluid in the closed volume of the cavity when it increases, attaching the working cavity to the outlet window at the time of reaching its maximum volume, the expulsion of gas from the working cavity while reducing its volume to zero.

Таким образом, в отличие от турбины, где потенциальная энергия пара, проходящего через сопло, превращается в кинетическую (т.е. пар разгоняется до высоких скоростей) и затем на лопатках кинетическая энергия переходит в механическую энергию вращения колеса турбины, в детандере рабочий процесс идет по другим законам (имеет место непосредственный переход потенциальной энергии в механическую) и при малых скоростях движения пара. Это обстоятельство, а также массивность зубьев роторов детандера исключает возможность эрозии рабочих органов и снижение вследствие этого надежности машины. Thus, unlike a turbine, where the potential energy of the steam passing through the nozzle is converted into kinetic (i.e., the steam is accelerated to high speeds) and then the kinetic energy on the blades passes into the mechanical energy of rotation of the turbine wheel, in the expander the work process according to other laws (there is a direct transition of potential energy into mechanical energy) and at low steam speeds. This circumstance, as well as the massiveness of the teeth of the expander rotors, exclude the possibility of erosion of the working bodies and a decrease in the reliability of the machine as a result.

Более того экспериментально установлено, что наличие жидкости на входе в детандер и в рабочих полостях в процессе расширения рабочего тела заметно увеличивает КПД машины, поскольку капельная жидкость заполняет существующие гарантированные (чтобы не было механического контакта элементов) зазоры в детандере между гребнями зубьев и корпусом, а также между зубьями, находящимися в зацеплении, и тем самым заметно сокращает непроизводительные перетечки газа из полости в полость. Такие перетечки обуславливают 70-75% потерь в работающей в "сухом" режиме винтовой расширительной машине. Таким образом, в отличие от турбин при работе на влажном паре наличие жидкости на входе в машину и выпадение конденсата при расширении пара не ухудшают, а улучшают показатели эффективности работы теплового двигателя. Moreover, it was experimentally established that the presence of liquid at the inlet of the expander and in the working cavities during the expansion of the working fluid significantly increases the efficiency of the machine, since the droplet liquid fills the existing guaranteed (so that there is no mechanical contact of the elements) gaps in the expander between the tooth combs and the housing, and also between the teeth that are engaged, and thereby significantly reduces the unproductive flow of gas from cavity to cavity. Such overflows account for 70-75% of losses in a screw expansion machine operating in the “dry” mode. Thus, unlike turbines, when working on wet steam, the presence of liquid at the inlet of the machine and the condensation loss during expansion of the steam do not worsen, but improve the efficiency of the heat engine.

В случае появления отложений на поверхности рабочих элементов детандера происходит еще более эффективное, чем в случае в капельой жидкостью уплотнение зазоров между элементами (практически до нуля), следствием чего является резкое уменьшение протечек и существенное увеличение КПД детандера. In the case of deposits on the surface of the working elements of the expander, even more effective than in the case of a drop of liquid, the gaps between the elements are compacted (almost to zero), resulting in a sharp decrease in leaks and a significant increase in the efficiency of the expander.

Капельная жидкость, поступившая в машину или образовавшаяся в результате конденсации части пара в процессе расширения, в результате вращательного движения роторов отбрасывается к периферии и образует на поверхности цилиндрических расточек корпуса конденсатную пленку, движущуюся вместе с паром от входа к выходу детандера. Эта пленка заполняет зазор между корпусом и зубом винта, в результате чего уменьшаются перетечки пара и увеличивается КПД машины. Некоторая часть жидкости, оседая на поверхности зубьев и перемещаясь по ней к поверхности расточки корпуса, обеспечивает уплотнение зазоров между роторами по линии контакта зубчатого зацепления. При том верхний предел степени сухости пара определяется максимальным значением, равным единице, а КПД тепловой машины в зависимости от изменения степени сухости (влажности) пара имеет экстремум в области значений степени сухости пара, соответствующей образованию конденсатной пленки толщиной, равной величине рабочего зазора между корпусом и вершиной зуба детандера. The droplet liquid that entered the machine or formed as a result of the condensation of a part of the steam during the expansion process is discarded to the periphery as a result of rotational movement of the rotors and forms a condensate film on the surface of the cylindrical bores of the body, which moves together with the steam from the inlet to the outlet of the expander. This film fills the gap between the housing and the tooth of the screw, resulting in reduced steam leakage and increased machine efficiency. A certain part of the liquid, settling on the surface of the teeth and moving along it to the surface of the bore of the housing, provides sealing of the gaps between the rotors along the contact line of the gearing. Moreover, the upper limit of the degree of dryness of steam is determined by the maximum value equal to unity, and the efficiency of the heat engine, depending on the change in the degree of dryness (humidity) of the steam, has an extremum in the range of values of the degree of dryness of steam corresponding to the formation of a condensate film with a thickness equal to the value of the working gap between the housing and the top of the expander tooth.

Как установлено, диапазон степени сухости расширяемого пара х, обеспечивающий превышение КПД установки по отношению к режиму "сухого" пара, находится в пределе 0,6<x<1. It has been established that the range of the degree of dryness of the expandable steam x, which ensures that the efficiency of the installation is exceeded with respect to the “dry” steam mode, is in the limit of 0.6 <x <1.

В качестве подтверждения выбора указанного диапазона можно привести оценку, достаточно корректно отражающую реальную ситуацию. Оценка произведена для конкретного детандера типа 7ГВ-50/7-7 производства Казанского компрессорного завода с диаметром роторов 315 мм и их длиной 285 мм. As a confirmation of the choice of the indicated range, an estimate can be given that correctly reflects the real situation. The assessment was made for a specific expander type 7GV-50 / 7-7 produced by the Kazan Compressor Plant with a rotor diameter of 315 mm and a length of 285 mm.

Принимают в качестве допущения, что вся имеющаяся в детандере жидкость равномерно распределяется по поверхности расточек корпуса. Для рассматриваемой машины величина поверхности составит 0,45 м² (πD x L x2 2H x L). Приняв величину рабочего зазора между винтами и корпусом 0,06 мм, получают, что объем конденсатной пленки при условии полного перекрытия зазоров равен 27 см³, а ее масса m 0,0270 кг.It is accepted as an assumption that all the liquid present in the expander is evenly distributed over the surface of the housing bores. For the machine in question, the surface size will be 0.45 m ² (πD x L x2 2H x L). Having accepted the size of the working gap between the screws and the body of 0.06 mm, it is obtained that the volume of the condensate film, provided that the gaps are completely covered, is 27 cm ³ and its mass m is 0.0270 kg.

В каждый отдельно взятый момент времени количество одновременно существующих рабочих полостей равно восьми, а их суммарный объем в момент окончания процесса заполнения полости паром составляет 6,62 х 10^-3 м³ (определен по геометрическим параметрам детандера). При удельном объеме сухого насыщенного пара на входе в детандер 0,1434 м³/кг (при 14 ат) суммарная масса пара М, находящегося в данный момент в машине, составляет 0,0462 кг. Суммарная масса смеси, находящейся в машине, М + m 0,0462 + 0,027 0,0732 кг. При этом влажность пара составит Jm/(M + m) 0,027/(0,0462 + 0,027) 0,368.At each separately taken time instant, the number of simultaneously existing working cavities is eight, and their total volume at the time of completion of the process of filling the cavity with steam is 6.62 x 10 ^-3 m ³ (determined by the geometrical parameters of the expander). With a specific volume of dry saturated steam at the inlet of the expander of 0.1434 m ³ / kg (at 14 at), the total mass of the steam M currently in the machine is 0.0462 kg. The total mass of the mixture in the car, M + m 0.0462 + 0.027 0.0732 kg. The humidity of the steam will be Jm / (M + m) 0.027 / (0.0462 + 0.027) 0.368.

Учитывая, что J + x 1, где х степень сухости пара, получают, что экстремальное значение КПД соответствует степени сухости пара, равной 0,63. Given that J + x 1, where x is the degree of dryness of the steam, it turns out that the extreme value of the efficiency corresponds to a degree of dryness of steam equal to 0.63.

При дальнейшем уменьшении степени сухости пара имеет место снижение КПД устройства, так как толщина конденсатной пленки превышает величину зазора Δ, и появляются потери энергии на перемещение избыточного количества жидкости верхними кромками зубьев роторов. With a further decrease in the degree of dryness of the vapor, there is a decrease in the efficiency of the device, since the thickness of the condensate film exceeds the gap Δ, and energy losses appear on the movement of the excess amount of liquid by the upper edges of the rotor teeth.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне степени сухости расширяемого пара 0,6<x<1 имеет место неочевидный эффект повышения КПД энергетической установки для тяжелых условий работы теплового двигателя на влажном паре, что позволяет существенно расширить диапазон источников пара и тепловых двигателей, пригодных и экономически целесообразных для выработки электрической энергии. The above allows us to conclude that in the range of dryness of the expandable steam 0.6 <x <1 there is an unobvious effect of increasing the efficiency of the power plant for severe conditions of operation of a heat engine on wet steam, which allows us to significantly expand the range of steam sources and heat engines, suitable and economically feasible for generating electrical energy.

Claims (1)

СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПАРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, заключающийся в генерировании пара, подаче его в тепловой двигатель, расширения его с последующим преобразованием энергии расширения пара в механическую энергию, которую преобразуют в электрическую, отличающийся тем, что влажность генерируемого пара поддерживают в диапазоне 0,6-1,0, расширение пара ведут в винтовом детандере, в рабочую камеру которого подают пар, стратифицируют его на пар и жидкость, преобразуя в процессе расширения потенциальную энергию пара непосредственно в механическую, воздействуя при этом на ротор детандера, кинематически связанный с приводом генератора электроэнергии, причем стратифицированную жидкость используют для создания уплотнения зазора между внутренней поверхностью корпуса и ротором детандера. METHOD FOR USING STEAM ENERGY FOR ELECTRICITY PRODUCTION, which consists in generating steam, supplying it to a heat engine, expanding it with subsequent conversion of the expansion energy of steam into mechanical energy, which is converted into electrical energy, characterized in that the humidity of the generated steam is maintained in the range of 0.6- 1,0, steam expansion is carried out in a screw expander, in which steam is supplied to the working chamber, it is stratified into steam and liquid, transforming the potential energy of the steam directly in the process of expansion enno into mechanical, acting thus on expander rotor is kinematically connected to drive a generator of electricity, the stratified fluid is used to seal the gap between the inner surface of the housing and the rotor expander.

Images