Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПОНЕНТА ПАРОВОЙ ТРУБЫ

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится по существу к компонентам паровой турбины и, более конкретно, к способам и устройствам, которые способствуют охлаждению компонентов паровой турбины.

По меньшей мере некоторые из известных энергетических установок комбинированного цикла содержат паровую турбину, которая соединена с газовой турбиной единым валом. Такие энергетические установки можно назвать имеющими одновальную конфигурацию комбинированного цикла. Во время по меньшей мере некоторых операций такой энергетической установки газовая турбина может работать под нагрузкой, тогда как паровая турбина работает без нагрузки. Однако, во время таких операций, поскольку газовая и паровая турбины соединены одним общим валом, паровая турбина должна работать на полных оборотах без нагрузки. Когда паровая турбина работает на полных оборотах без нагрузки, по меньшей мере некоторые из компонентов паровой турбины могут нагреваться из-за сопротивления воздуха внутри паровой турбины.

Для предотвращения износа компонентов по меньшей мере в некоторых известных одновальных энергетических установках комбинированного цикла паровую турбину отсоединяют от газовой турбины, когда газовая турбина работает под нагрузкой, а паровая турбина не нагружена. Как таковая паровая турбина не работает в условиях полных оборотов при отсутствии нагрузки, когда нагружена газовая турбина. Однако, прежде чем паровая турбина сможет принять нагрузку, ее необходимо вновь соединить с газовой турбиной. Как известно, синхронизация работы паровой турбины с работой газовой турбины может быть трудной задачей, отнимающей много времени.

Другие известные одновальные энергетические установки комбинированного цикла позволяют паровой турбине вращаться на полных оборотах, при отсутствии нагрузки, в то время как газовая турбина работает под нагрузкой. В таких установках для охлаждения паровой турбины используется охлаждающая среда, такая как воздух или пар. Однако, прежде чем пар можно будет подать в паровую турбину, пар должен быть по существу освобожден от капель воды, поскольку такие капли приводят к повреждениям паровой турбины. Для предотвращения попадания капель воды в паровую турбину по меньшей мере в некоторых известных энергетических установках комбинированного цикла пар подается в пароперегреватель, выполненный заодно с вспомогательным котлом для перегрева пара перед подачей в паровую турбину. Однако, такие пароперегреватели имеют большие физические габариты и дороги в приобретении и/или эксплуатации, поскольку требуют существенных энергозатрат для испарения по существу всей воды, имеющейся в паре.

Краткое описание изобретения

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ охлаждения компонента паровой турбины. Способ содержит этапы, на которых подают насыщенный пар при первом давлении в устройство регулирования давления, перегревают пар, уменьшая давление насыщенного пара и первого давления до второго давления, используя устройство регулирования давления, и подают перегретый пар к компоненту паровой турбины для охлаждения компонента.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система охлаждения для использования в паровой турбине. Система охлаждения содержит источник насыщенного пара и устройство регулирования давления, сообщающееся с источником насыщенного пара. Устройство регулирования давления способствует уменьшению давления насыщенного пара для формирования перегретого пара. Устройство регулирования давления выполнено с возможностью сообщения с паровой турбиной для подачи на нее перегретого пара.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается система комбинированного цикла. Система комбинированного цикла содержит газовую турбину, паровую турбину, соединенную с газовой турбиной валом ротора, и систему охлаждения паровой турбины, сообщающуюся с паровой турбиной. Система охлаждения содержит источник насыщенного пара и устройство регулирования давления, сообщающееся с источником насыщенного пара. Устройство регулирования давления выполнено с возможностью перегревать насыщенный пар.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид иллюстративной энергетической установки комбинированного цикла.

Фиг.2 - схематический вид иллюстративной системы паровой турбины, которая может использоваться в энергетической установке по фиг.1.

Фиг.3 - графическое представление иллюстративной диаграммы энтальпии-энтропии, которую можно использовать при эксплуатации системы, показанной на фиг.2.

Фиг.4 - графическое представление иллюстративного отношения между противодавлением паровой турбины, расходом при охлаждении и энтальпией, которое может использоваться в системе, показанной на фиг.2.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлен схематический вид иллюстративной энергетической установки 10 комбинированного цикла. На фиг.2 представлен схематический вид иллюстративной системы 200 паровой турбины, которая может использоваться в энергетической установке 10. На фиг.3 приведено графическое представление диаграммы 300 энтальпии-энтропии (также именуемой "диаграмма Моллье"), которая может использоваться при эксплуатации системы 200 паровой турбины. На фиг.4 представлена диаграмма 400, показывающая пример отношения между противодавлением 402 паровой турбины, охлаждающим расходом 404 и энтальпией 406, которую можно использовать для системы 200 паровой турбины.

В иллюстративном варианте энергетическая установка 10 содержит узел 100 газовой турбины, систему 200 паровой турбины, рекуперативный парогенератор 12 и генератор 14. Кроме того, в иллюстративном варианте система 200 паровой турбины содержит узел 202 паровой турбины и систему 204 охлаждения паровой турбины, более подробно описанную ниже. Энергетическая установка 10 может включать любые другие компоненты, позволяющие ей функционировать как описано в настоящем документе. В иллюстративном варианте узел 100 газовой турбины и узел 202 паровой турбины соединены общим валом 15 ротора, который приводит в действие генератор 14. Более конкретно, вал 16 ротора содержит первую муфту 18 между узлом 100 газовой турбины и узлом 202 паровой турбины, так что узел 202 паровой турбины может быть селективно отсоединен от узла 100 газовой турбины.

Узел 100 газовой турбины содержит компрессор 102, камеру сгорания 104 и газовую турбину 106. Компрессор 102 и газовая турбина 106 соединены с валом 16 ротора для вращения вместе с ним. Компрессор 102 содержит воздушное входное отверстие 108 для подачи в компрессор воздуха. Компрессор 102 находится в сообщении с камерой сгорания 104 для нагнетания в нее воздуха 110. Камера сгорания 104 содержит топливную форсунку 112 для нагнетания топлива 114 в камеру сгорания 104 для его сжигания в ней. Камера сгорания 104 находится в сообщении с газовой турбиной 106 для подачи на нее выхлопного газа. Газовая турбина находится в сообщении с рекуперативным парогенератором 12 так, что выхлопные газы 116 от газовой турбины 106 нагревают воду 20 в рекуперативном парогенераторе для генерирования пара. Рекуперативный парогенератор 12 может быть рекуперативным парогенератором любого типа, который позволяет энергетической установке 10 функционировать так, как описано в настоящем документе.

Узел 202 паровой турбины содержит участок 206 высокого давления, участок 208 промежуточного давления (также именуемый ниже участком подогрева), участок 210 низкого давления и конденсатор 212. В иллюстративном варианте узел 202 паровой турбины является паровой турбиной с противодавлением, которая работает с противодавлением Р_В, например, равным 4 HgA мм. рт.ст. (абс). Каждый участок 206, 208 и 210 содержит множество лопаток 214, соединенных с валом 16 ротора. Более конкретно, лопатки 214 расположены венцами 216, которые проходят по окружности вокруг вала 16. Участки 206, 208, 210 высокого, промежуточного и низкого давления, соответственно последовательно соединены с валом 16 ротора, как более подробно описано ниже. В иллюстративном варианте участки 206, 208 и 210 турбины соединены с валом 16 так, что участок 206 высокого давления расположен рядом с генератором 14. Кроме того, в иллюстративном варианте участок 206 высокого давления соединен с участками 210 и 208 промежуточного и низкого давления через вторую муфту 218.

Кроме того, узел паровой турбины содержит подшипники 220, 222 и 224, которые соответственно соединены с валом 16 ротора между участком 210 низкого давления и генератором 14, между участками 20 промежуточного и высокого давления. Первый кожух 226 по существу изолирует участки 210 и 208 низкого и промежуточного давления, соответственно, от окружающей среды 24, второй кожух 228 по существу изолирует вторую муфту и подшипник 222 от окружающей среды, третий кожух 230 по существу изолирует участок 206 высокого давления от окружающей среды 24, четвертый кожух 232 по существу изолирует подшипник 224 и первую муфту 18 от окружающей среды 24. В иллюстративном варианте путь 234 потока пара определен внутри узла 202 турбины сквозь кожухи 226, 228, 230 и 232.

Участок 206 высокого давления в иллюстративном варианте содержит пару впускных отверстий 236 для приема пара 22 от рекуперативного парогенератора 12. Альтернативно узел 202 паровой турбины может получать пар 22 от другого источника, не являющегося рекуперативным парогенератором 12, и/или через другие впускные отверстия, не являющиеся парой впускных отверстий 236. Более конкретно, в иллюстративном варианте участок 206 высокого давления получает пар 22 от рекуперативного парогенератора 12 через первый клапан 238, который, например, является запорным и регулирующим клапаном. Участок 206 высокого давления содержит выпускное отверстие 240, определенное в третьем кожухе 230. Выпускное отверстие 240 выполнено с возможностью выпускать пар 22 из участка 206. Подогреватель 242 установлен между участком 206 высокого давления и парой вторых клапанов 244, каждый из которых является, например, отсечным клапаном. Каждый клапан 244 соединен с впускным отверстием 246 участка 208 промежуточного давления. Выпускное отверстие 248 участка 206 промежуточного давления расположено рядом с вертикальным стыком 250, определенным между участками 208 и 210 промежуточного и низкого давления. Впускное отверстие 252 участка 210 низкого давления примыкает к стыку 250, а выпускное отверстие 254 участка 210 низкого давления соединено с конденсатором 212. Более конкретно, в иллюстративном варианте участок 210 низкого давления сообщается с конденсатором 212 так, что сконденсированный пар 26 может выпускаться из участка 210 низкого давления в конденсатор 212.

Кроме того, в иллюстративном варианте узел 202 паровой турбины содержит множество сальниковых уплотнений или сальников 256, установленных рядом с валом 16 ротора. Более конкретно, каждое уплотнение 256 по существу окружает вал 16. Альтернативно, узел 202 паровой турбины может содержать только один сальник или не содержать сальников 256. Сальники 256 расположены между смежными кожухами 226, 228, 230 и 232 узла 202 паровой турбины. Более конкретно, сальники 256 расположены между подшипником 220 и участком 210 низкого давления у первого конца 258 кожуха 226, между участком 208 промежуточного давления и подшипником 222 у второго конца 260 кожуха 226, между второй муфтой 218 и участком 206 высокого давления у первого конца 262 кожуха 230, внутри кожуха 230 рядом с впускными отверстиями 236 участка высокого давления, и между участком 206 высокого давления и подшипником 224 у второго конца 264 кожуха 230. Сальники 256 препятствуют выходу пара 22 из узла 202 паровой турбины в нежелательных местах.

В иллюстративном варианте система 204 охлаждения паровой турбины содержит вспомогательный котел 266, регулятор 268 давления, и пароперегреватель 270. Вспомогательный котел 266 нагревает воду 272 для выработки насыщенного пара 274. Более конкретно, в иллюстративном варианте вспомогательный котел 266 сжигает топливо 276 для нагревания воды 272, но, альтернативно, вспомогательный котел может нагревать воду любым другим подходящим способом и/или любой другой подходящей технологией, которая позволяет установке 10 функционировать так, как описано в настоящем документе. Далее, в иллюстративном варианте вспомогательный котел 266 содержит первое выпускное отверстие 278 и второе выпускное отверстие 280 для выпуска из них насыщенного пара. Первое выпускное отверстие 278 находится в сообщении с регулятором 268 давления, а второе выпускное отверстие 280 находится в сообщении с пароперегревателем 270. В иллюстративном варианте регулятор 268 давления понижает давление насыщенного пара 274, как более подробно описано ниже. Кроме того, в иллюстративном варианте пароперегреватель 270 является электрическим пароперегревателем, содержащим множество резисторов (не показаны), которые перегревают насыщенный пар 274. Альтернативно, регулятором 268 давления может быть любое другое устройство, которое позволяет системе 204 охлаждения функционировать как описано в настоящем документе. В другом варианте пароперегреватель 270 не является электрическим пароперегревателем.

Регулятор 268 давления в иллюстративном варианте содержит выпускное отверстие 282, которое выпускает перегретый пар 284 в узел 202 паровой турбины. Более конкретно, поскольку длины L лопаток 214 (измеренные радиально от хвостовика 213 лопатки до кромки 215 лопатки) в участках 210 и 208 низкого и промежуточного давления больше, чем длины L лопаток в участке 206 высокого давления, и поскольку постоянные потери являются функцией длины лопатки, выпускное отверстие 282 выполнено с возможностью нагнетать перегретый пар 284 в узел 202 турбины на стыке 250. Кроме того, пароперегреватель 270 содержит выпускное отверстие 286, которое подает перегретый пар 288 по меньшей мере на один сальник 256 в узле 202 паровой турбины.

Во время иллюстративной работы установки воздух 110 нагнетают компрессором 102 в камеру сгорания 104 для соединения с топливом, нагнетаемым в камеру сгорания 104 для генерирования выхлопных газов 116. Выхлопные газы 116 проходят через газовую турбину 106 для вращения лопаток турбины (не показаны). Вращение лопаток через вал 16 ротора передается на генератор 14 для выработки электроэнергии 28, которая может выводиться с установки 10 или использоваться внутри установки 10. Как таковой узел 100 газовой турбины во время иллюстративной работы несет нагрузку. Выхлопные газы 116 могут нагревать воду 20 в рекуперативном парогенераторе 12, но пар 22 не подается из рекуперативного парогенератора 12 на узел 202 паровой турбины. Узел 202 паровой турбины во время иллюстративной работы не несет нагрузки.

Хотя узел 202 паровой турбины во время иллюстративной работы не несет нагрузки, лопатки 214 в участках 206, 208, 210 высокого, промежуточного и низкого давления вращаются в соответствующих кожухах 226 и 230, поскольку вращение лопаток газовой турбины передается на лопатки 214 паровой турбины через вал 16 ротора. Такая работа именуется работой на полных оборотах без нагрузки. В иллюстративном варианте лопатки 214 паровой турбины вращаются с частотой приблизительно 3000-3600 об/мин, в зависимости от конфигурации установки 10, когда узел 100 газовой турбины несет нагрузку. Кроме того, хотя узел 202 паровой турбины работает на полных оборотах без нагрузки, давление внутри узла паровой турбины приблизительно равно давлению в конденсаторе 212. Во время такой работы на полных оборотах без нагрузки, сопротивление воздуха в узле 202 паровой турбины приводит к нагреву ее компонентов, таких как лопатки 214 и создает постоянные потери. В иллюстративном варианте постоянные потери являются функцией длины лопаток, поэтому более длинные лопатки 214 создают больше постоянных потерь, чем более короткие лопатки 214.

В иллюстративном варианте во вспомогательный котел 266 подают воду 272 и топливо 276. Топливо 276 сжигают во вспомогательном котле 266 для нагревания воды 272. По мере перехода теплоты из сгорающего топлива 276 в воду 272, вода 272 преобразуется в насыщенный пар 274. Насыщенный пар 274 выводится из вспомогательного котла 266 в регулятор 268 давления и пароперегреватель. Насыщенный пар 274, выходящий из вспомогательного котла 266, имеет качество х, приблизительно равное 99,9%, давление Р₁, приблизительно равное 150 фунтов на кв. дюйм (абсолютное) и температуру Т₁, приблизительно равную 358^о по Фаренгейту. Как показано на фиг.3, насыщенный пар 274 на диаграмме 300 Моллье для воды представлен точкой 302. В иллюстративном варианте приблизительно 90% насыщенного пара 274, вырабатываемого в котле 266 подается на регулятор 268 давления, а приблизительно 10% насыщенного пара, вырабатываемого в котле 266, подается на пароперегреватель 270.

В иллюстративном варианте регулятор 268 давления понижает давление насыщенного пара 274 с давления Р₁ до второго давления Р₂, где давление Р₂ измеряют у чаши (не показана) участка 210 низкого давления. Более конкретно, в иллюстративном варианте регулятор 268 давления понижает давление насыщенного пара 274 с приблизительно 150 фунтов на кв. дюйм (абсолютного), или с давления Р₁, до приблизительно 5-10 фунтов на кв. дюйм (абсолютного) или до давления Р₂ для выработки перегретого пара 284. Альтернативно, давлением Р₂ может быть любое другое давление, которое позволяет установке 10 функционировать, как описано в настоящем документе. В одном варианте давление Р₂ может выбираться на основе давления впуска в чашу низкого давления и эффективной площади сечения потока ("LP bowl AeN") и/или заранее определенного расхода охлаждающего потока.

Кроме того, в иллюстративном варианте энтальпия h насыщенного пара 274 сохраняется, когда пар 274 расширяется для формирования перегретого пара 284. В другом варианте, энтальпия h изменяется при расширении насыщенного пара 274. В иллюстративном варианте энтальпия h насыщенного пара 274 основана на массовом расхода m или охлаждении и противодавлении Р_В узла 202 паровой турбины, как показано на диаграмме 400 на фиг.4. Диаграмма 400 не включает поток пара 288 на сальник 256, а величины Btu/lb (Британских тепловых единиц на фунт) на диаграмме 400 представляют энтальпию потока охлаждающего пара 274 и/или 284. Кроме того, в иллюстративном варианте энтальпия h приблизительно равна, например, 1185 британским тепловым единицам на фунт. Когда насыщенный пар 274 расширяется, как описано выше, насыщенный пар 274 становится перегретым паром 284, имеющим температуру Т₂, приблизительно равную, например, 300^о по Фаренгейту. Перегретый пар 284 представлен на диаграмме 300 Моллье как точка 304, а процесс расширения в регуляторе 268 давления представлен на диаграмме 300 Моллье линией 306.

В иллюстративном варианте перегретый пар 284 направляется из регулятора 268 давления на узел 202 паровой турбины с массовым расходом m для охлаждения по меньшей мере одного компонента в этом узле. В иллюстративном варианте при давлении Р₂ и температуре Т₂ перегретый пар 284 подают в паровую турбину с расходом m, приблизительно равным, например, 55000 фунтов в час для охлаждения последнего венца 289 лопаток 214 в участке 210 низкого давления до температуры T_F, приблизительно равной, например, 400^о по Фаренгейту. Такой расход m соответствует энтальпии h при данном противодавлении Р_В. Такое состояние представлено точкой 408 на диаграмме 400. Альтернативно, массовый расход m можно определять на основе параметров охлаждения.

В иллюстративном варианте перегретый пар 284 подают на стык 250 так, чтобы часть 290 пара направлялась в первом направлении через участок 210 низкого давления, а другая часть 292 пара 284 направлялась в противоположном втором направлении через участок 208 промежуточного давления. Кроме того, в иллюстративном варианте пароперегреватель 270 нагревает насыщенный пар 274, пока насыщенный пар 274 не станет перегретым паром 288. Параметры перегретого пара 288, такие как температура и давление основаны, например, на температуре металла в сальниковом уплотнении 256. В одном варианте перегретый пар 288 выходит из пароперегревателя 270 при давлении приблизительно 130-140 фунтов на кв. дюйм (абсолютное) и при температуре 370-750º по Фаренгейту. Перегретый пар 288 затем направляют по меньшей мере на одно сальниковое уплотнение 256 для обеспечения уплотнения между кожухом 226 и/или 230 и валом 16 ротора.

Вышеописанные способ и устройство способствуют охлаждению компонента паровой турбины в энергетической установке комбинированного цикла. Более конкретно, система охлаждения содержит регулятор давления, который способствует перегреву насыщенного пара до подачи пара в паровую турбину. Как таковая система охлаждения способствует сокращению потребления энергии, необходимой для генерирования перегретого пара по сравнению с энергетическими установками, в которых используется электрический пароперегреватель и/или пароперегреватель, выполнены заодно с вспомогательным котлом для перегрева пара до того, как он подается в паровую турбину. Более конкретно, вышеописанная система охлаждения позволяет перегревать насыщенный пар, выходящий из котла, с помощью регулятора давления, а не с помощью менее эффективного электрического пароперегревателя и/или встроенного пароперегревателя. Как таковой вспомогательный котел не требует встроенного пароперегревателя, что снижает стоимость энергетической установки по сравнению с энергетическими установками, содержащими вспомогательный котел со встроенным пароперегревателем.

Кроме того, поскольку температура и давление охлаждающего пара, входящего в паровую турбину из регулятора давления, понижены по сравнению с температурой и давлением пара, подаваемого электрическим пароперегревателем, для охлаждения компонентов в паровой турбине можно использовать уменьшенный массовый расход охлаждающего пара. Как таковая вышеописанная система охлаждения способствует сокращению эксплуатационных расходов по сравнению с энергетическими установками, требующими более высокий массовый расход пара для охлаждения компонентов паровой турбины. Кроме того, используя вышеописанные способы и устройства, паровая турбина может оставаться соединенной с газовой турбиной в те периоды работы, когда нагрузку несет только газовая турбина. Как таковая система охлаждения позволяет избежать ресинхронизации паровой турбины и газовой турбины, когда работает газовая турбина.

Выше приведено подробное описание иллюстративных вариантов способа и устройства для охлаждения компонента паровой турбины. Эти способ и устройство не ограничены конкретными описанными вариантами, и компоненты способа и устройства могут использоваться независимо и отдельно от других описанных здесь компонентов. Например, система охлаждения также может использоваться в комбинации с другими системами и способами энергетических установок и не ограничена только описанными здесь энергетическими системами и их эксплуатацией. Настоящее изобретение может быть реализовано и использовано для решения многих других задач, связанных с охлаждением турбин.

Хотя настоящее изобретение было описано на примере различных конкретных вариантов, специалистам понятно, что изобретение может быть реализовано с модификациями, входящими в объем изобретательской идеи и формулы изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

10 - энергетическая установка

12 - рекуперативный парогенератор

14 - генератор

16 - вал ротора

18 - первая муфта

20 - нагретая вода

22 - пар

24 - окружающая среда

26 - сконденсированный пар

28 - генерирование электроэнергии

100 - узел газовой турбины

102 - компрессор

104 - камера сгорания

106 - газовая турбина

108 - воздушное впускное отверстие

110 - сжатый воздух

112 - впускное отверстие для топлива

114 - топливо

116 - выхлопные газы

200 - система паровой турбины

202 - узел паровой турбины

204 - система охлаждения паровой турбины

206 - участок высокого давления

208 - участок промежуточного давления

210 - участок низкого давления

212 - конденсатор

213 - хвостовик лопатки

214 - лопатки

215 - кромка лопатки

218 - вторая муфта

220 - подшипник

222 - подшипник

224 - подшипник

226 - первый кожух

228 - второй кожух

230 - кожух

232 - четвертый кожух

234 - путь пара

236 - впускные отверстия участка высокого давления

238 - первый клапан

240 - выпускное отверстие

242 - подогреватель

244 - вторые клапаны

246 - впускное отверстие

248 - выпускное отверстие

250 - вертикальный стык

252 - впускное отверстие

254 - выпускное отверстие

256 - сальниковые уплотнения

258 - первый конец

260 - второй конец

262 - первый конец

264 - второй конец

266 - вспомогательный котел

268 - регулятор давления

270 - пароперегреватель

272 - вода

274 - насыщенный пар

276 - топливо

278 - первое выпускное отверстие

280 - второе выпускное отверстие

282 - выпускное отверстие

284 - перегретый пар

286 - выпускное отверстие

288 - перегретый пар

289 - последний венец

290 - часть

292 - другая часть

300 - диаграмма Моллье

302 - точка

304 - точка

306 - линия

400 - диаграмма

402 - противодавление паровой турбины

404 - охлаждающий расход

406 - энтальпия

408 - точка