Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ДЛЯ ТУРБИНЫ И СВЯЗАННАЯ С НИМ УСТАНОВКА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области термодинамических циклов насыщенного пара или слабо перегретого пара на станциях, генерирующих электричество из ядерной энергии.

Уровень техники

Проблему оптимизации термодинамического цикла насыщенного пара на станциях, генерирующих электричество из ядерной энергии, пытаются разрешить с использованием различных способов и устройств, в частности, с применением в термодинамическом цикле на электростанциях такого типа стадии осушения и/или перегрева насыщенного пара между модулем турбины высокого давления и модулем турбины низкого давления, а также посредством установки соответствующих устройств.

В способах и устройствах этого типа применяется острый пар, то есть пар из котла используется для перегрева пара между частями высокого давления и низкого давления.

Так, в известных конфигурациях, один известный вариант которых показан на фиг.1, осушительное устройство 70 и перегреватель 80 пара расположены между модулем 30 высокого давления и модулем 40 среднего давления и предназначены для осушения и перегрева пара, выходящего из модуля высокого давления, при этом этот пар генерируется парогенератором 140, предшествующим модулю высокого давления и снабжаемым из источника 140' ядерной энергии. Помимо этого, перегреватель 80 пара снабжается для целей перегревания острым паром через трубу 270, присоединенную к выпуску парогенератора 140.

Недостатки этих способов и соответствующих устройств включают, в частности, необходимость высокой степени перегревания для обеспечения возможности прохождения пара через турбину низкого давления без быстрого образования капель воды, оказывающих отрицательное воздействие на эффективность, а также способствующих тенденций к разрушению турбины. Помимо этого, применение для перегревания острого пара оказывает слабое воздействие на эффективность ядерного цикла, поскольку эта энергия утилизируется лишь в форме тепла и не преобразуется в электричество. Причина состоит в том, что, тогда как в работающих на органическом топливе электростанциях пар нагревается непосредственно котлом, благодаря чему происходит увеличение средней температуры теплообмена и улучшение эффективности цикла, перегревание на ядерных силовых установках острым паром может привести лишь к ухудшению термодинамического цикла. Однако перегревание может снижать потери на конечных ступенях расширения, возникающие вследствие присутствия влаги. Этот положительный эффект на правильно оптимизированных установках превышает отрицательное воздействие ухудшения цикла. Помимо этого, данный анализ подтверждает большее значение осушения, которое способствует снижению потерь из-за наличия влаги на последующих ступенях расширения.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в преодолении недостатков существующего уровня техники, более конкретно, проблем, связанных, с одной стороны, с оптимизацией термодинамического цикла насыщенного пара или слабо перегретого пара, при этом этот цикл адаптирован для применения на электростанциях, функционирующих на ядерной энергии, то есть станциях, включающих по меньшей мере один источник ядерной энергии, и, с другой стороны, с применением острого пара в качестве источника тепла для перегревания в термодинамическом цикле такого типа.

С этой целью для электростанции, содержащей ядерный источник энергии и турбину, имеющую по меньшей мере один модуль высокого давления, по меньшей мере один модуль среднего давления и по меньшей мере один модуль низкого давления, изобретение предлагает термодинамический цикл насыщенного пара или слабо перегретого пара, при котором пар проходит последовательно через модули высокого давления, среднего давления и низкого давления, и этот пар между модулями высокого давления и среднего давления подвергается воздействию первого цикла осушения и/или перегрева. Следует заметить, что первый цикл перегрева может обеспечиваться в единственной стадии с применением острого пара или в две стадии, с паром, отходящим из модуля высокого давления, используемым для снабжения первой стадии нагревания, в то время как вторая стадия нагревания снабжается острым паром, при этом вторая конфигурация является вариантом, улучшающим эффективность цикла станции.

Фраза «термодинамический цикл насыщенного пара или слабо перегретого пара» подразумевает, что подаваемый генератором пар может быть перегрет, например, на несколько десятков градусов.

Согласно первой отличительной особенности, насыщенный пар подвергается воздействию второго цикла, содержащего по меньшей мере один процесс осушения, осуществляемый между модулем среднего давления и модулем низкого давления.

Так как обуславливаемые наличием влаги потери являются значительными, этот цикл предназначается для дополнения первого цикла осушения и/или перегрева между модулями высокого давления и среднего давления с тем, чтобы обеспечить дальнейшее снижение влагосодержания насыщенного пара на заключительных ступенях линии расширения.

Согласно второй отличительной особенности, второй цикл также содержит стадию, на которой перегревается пар.

Предпочтительно первый цикл оптимизируется таким образом, чтобы влажность пара на выходе из модуля среднего давления находилась в пределах некоторого диапазона, обеспечивающего возможность оптимизации второго цикла. Соответственно, в сравнении с существующим уровнем техники изоэнтропическая эффективность расширения при средних давлениях ниже, но изоэнтропическая эффективность расширения при низком давлении более высока. Помимо этого, в этом случае значительно снижаются и поддаются контролю механические риски, обуславливаемые присутствием в модуле низкого давления турбины воды в жидком виде.

Предпочтительно на протяжении всего цикла пар находится в виде влажного пара с влагосодержанием менее 15% или с умеренной степенью перегрева.

Согласно конкретным отличительным особенностям,

- второй цикл регулирует осушение и/или перегрев таким образом, чтобы на выходе из турбины низкого давления влагосодержание находилось, по существу, в пределах диапазона от 5% до 15%;

и/или

- первый цикл регулирует осушение и/или перегрев таким образом, чтобы на выходе из турбины среднего давления влагосодержание находилось, по существу, в пределах диапазона от 5% до 15%;

и/или

- расширение модуля высокого давления регулирует влагосодержание таким образом, чтобы на выходе из турбины высокого давления перед первым циклом оно было бы, по существу, внутри диапазона от 5% до 15%.

Согласно другой отличительной особенности перегревание в первом цикле обеспечивается с использованием пара, получаемого из первой точки отбора пара модуля высокого давления, предпочтительно на промежуточной ступени модуля высокого давления.

Аналогичным образом перегревание во втором цикле обеспечивается с использованием пара из второй точки отбора пара модуля высокого давления на промежуточной ступени, следующей за предшествующей первой точкой отбора пара модуля высокого давления, при этом данная промежуточная ступень может быть расположена на выходе модуля высокого давления.

Изобретение также относится к электростанции, содержащей по меньшей мере один ядерный источник энергии и турбину, имеющую по меньшей мере один модуль высокого давления, по меньшей мере один модуль среднего давления и по меньшей мере один модуль низкого давления, при этом данные модули связаны между собой контуром циркуляции пара, предназначенным для последовательного прохождения пара через модули высокого давления, среднего давления и низкого давления, данная станция при этом также содержит по меньшей мере одно осушительное устройство между модулями среднего и низкого давления.

В одном варианте станция также содержит перегреватель пара между модулями среднего и низкого давления.

Предпочтительно станция имеет по меньшей мере одно осушительное устройство и/или один перегреватель пара между модулями высокого и среднего давления.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения станут ясными в свете следующего далее описания, представленного с обращением к прилагаемым чертежам.

На фиг.1 показана общая схема известного термодинамического цикла насыщенного пара в электростанции;

на фиг.2 - общая схема термодинамического цикла насыщенного пара в электростанции согласно изобретению;

на фиг.3 - диаграмма энтальпии, известная как схема Молье, отображающая общее направление хода кривых расширения в следующих случаях: в идеальном теоретическом случае, в случае согласно известному уровню техники и в случае согласно изобретению.

Для большей ясности идентичные или подобные элементы на всех чертежах обозначены идентичными номерами позиций.

Осуществление изобретения

На фиг.2 показана общая схема термодинамического цикла 1 насыщенного пара в электростанции согласно одному варианту осуществления изобретения.

Более конкретно, эта схема отображает электростанцию, содержащую ядерный источник 2' энергии и турбину 2, имеющую три модуля, при этом первый модуль является модулем 3 высокого давления, второй является модулем 4 среднего давления и третий является модулем 5 низкого давления. В цикле рабочая среда, в данном случае водяной пар, протекает последовательно через модули высокого давления 3, среднего давления 4 и низкого давления 5.

Предшествующий термодинамическому циклу источник пара, например, по меньшей мере один парогенератор 14 обеспечивает снабжение модуля 3 высокого давления острым паром через питающую трубу 15. Помимо этого, между выпуском модуля 3 высокого давления и впуском модуля 4 среднего давления расположена первая переходная труба 16, а вторая переходная труба 17 расположена между выпуском модуля 4 среднего давления и впуском модуля 5 низкого давления, при этом каждая из указанных труб 16 и 17 имеет, соответственно, осушительное устройство 7, 10 и перегреватель пара 8, 11. Пар, проходящий через первую и вторую переходную трубу 16,17, последовательно подвергается первому -и второму циклу 6, 9, каждый из которых включает стадию осушения и стадию перегрева. Таким образом, для осуществления стадий осушения первого цикла 6 и второго цикла 9 могут применяться осушительные устройства 7, 10, соответственно, а для выполнения стадий перегрева первого цикла 6 и второго цикла 9 могут также применяться перегреватели пара 8, 11, соответственно.

В этом варианте осуществления изобретения перегреватели пара 8, 11 образованы теплообменными устройствами.

Каждый из модулей высокого давления 3, среднего давления 4 и низкого давления 5 обеспечивает вращение ведущего вала 18 генератора 19 переменного тока, предназначенного для генерирования электричества.

На выпуске модуля 5 низкого давления третья переходная труба 20 обеспечивает подачу пара в главный конденсатор 21, связанный с радиатором 22. Этот главный конденсатор 21 служит для превращения перегретого пара в жидкость.

Расположенная в конце термодинамического цикла труба 23 обеспечивает снабжение парогенератора 14 от главного конденсатора 21 потоком, проходящим, соответственно, через ряд подогревателей 24 низкого давления, резервуар 25 дегазации и ряд подогревателей 26 высокого давления.

Батареи теплообменных устройств 24, 25, 26 предназначены для повторного нагрева жидкости, в то время как резервуар 25 дегазации служит для снижения концентрации кислорода и других газов в воде.

В этом варианте осуществления изобретения первый перегреватель 8 пара, через который проходит первая переходная труба 16, также снабжается нагревающим паром с помощью первой обеспечивающей перегрев трубы 27, связанной с первой точкой 12 отбора пара модуля 3 высокого давления. Первая точка 12 отбора пара, протекающего через первую обеспечивающую перегрев трубу 27, расположена на промежуточном уровне модуля 3 высокого давления таким образом, что перегреватель 8 пара вместо острого пара снабжается ранее использовавшимся паром. Аналогичным образом второй перегреватель 11 пара, через который проходит вторая переходная труба 17, снабжается нагревающим паром через вторую обеспечивающую перегрев трубу 28, связанную со второй точкой 13 отбора пара модуля высокого давления, которая расположена вслед за первой точкой 12 отбора пара. В одной определенной конфигурации, не показанной на этом чертеже, вторая точка 13 отбора пара может быть расположена на выпуске модуля 3 высокого давления.

Эти первый и второй перегреватели 8, 11 пара также подают сконденсированную воду к батарее подогревателей 26 высокого давления и резервуару 25 дегазации через, соответственно, отводные трубы 29 и 30.

Аналогичным путем отводные трубы 31, 32 отводят жидкость из осушительных устройств 7,10 в резервуар 25 дегазации и батарею подогревателей 24.

Аналогичным образом отводные трубы 33, 34, связанные с точками отбора пара модуля 3 высокого давления, обеспечивают подачу влажного пара к батарее подогревателей 26. Труба 35, которая, как правило, присоединяется к стоку модуля 3 высокого давления, снабжает резервуар 25 дегазации.

Наконец, отводные трубы 36,37, связанные с точками отбора пара модуля среднего давления, и отводная труба 38, связанная с точками отбора пара модуля низкого давления, снабжают батарею подогревателей 24.

Таким образом, пар следует термодинамическому циклу, в котором направление потока по различным трубам обозначено стрелками. Тем самым пар используется для выполнения работы в различных модулях 3,4, 5, которые обеспечивают вращение вала 18 и передачу этого вращательного движения генератору 19 переменного тока, в результате чего на электростанции вырабатывается электричество.

В случае применения, этот термодинамический цикл обеспечивает оптимальную эффективность при том, что, в частности, второй цикл 9 регулирует осушение и перегрев с тем, чтобы обеспечивать влагосодержание на выходе из турбины низкого давления, по существу, в пределах диапазона от 5% до 15%.

Таким же образом первый цикл 6 предпочтительно регулирует процессы осушения и перегрева для обеспечения влагосодержания на выходе из турбины 4 среднего давления по существу в пределах диапазона от 5% до 15%.

Согласно еще одному отличительному признаку, модуль 3 высокого давления регулирует влагосодержание так, чтобы на выпуске модуля 3 высокого давления перед первым циклом 6 оно находилось бы, по существу, в пределах диапазона от 5% до 15%.

На фиг.3 показана диаграмма энтальпии, известная как схема Молье, отображающая общее направление хода кривых расширения в следующих случаях: в идеальном теоретическом случае, в случае согласно известному уровню техники и в случае согласно изобретению.

Следует заметить, что эти кривые отображают лишь общие направления.

Кривая CZy отображает общее направление хода идеальной теоретической кривой энтальпии пара в цикле в виде соответствующей функции энтропии. Линия Сса представляет в этой диаграмме кривую насыщения воды.

Более конкретно, кривая насыщения S обозначает границу между двумя областями, при этом вода находится в виде сухого пара при более высоких величинах энтальпии и в виде насыщенного пара (или влажного пара) для энтальпий ниже энтальпии кривой S при данных показателях энтропии. Понятие «сухой насыщенный пар» используется для обозначения состояния воды, которое точно соответствует нахождению на кривой насыщения. Содержание воды во влажном паре увеличивается при уменьшении энтальпии до тех пор, пока не достигается содержание, равное 1 (жидкая вода), т.е. когда паровая фаза полностью конденсируется.

Кривая СIs отображает общее направление прохождения кривой в случае согласно известному уровню техники, другими словами, с термодинамическим циклом, включающим только первый цикл 6 осушения и перегрева между модулем 3 высокого давления и модулем 4 среднего давления.

Эта кривая показывает ряд различных трендов, включая:

- А: пар, производимый парогенератором, достигает входа в турбину в виде влажного пара, близкого к насыщению, такой пар называют острым паром;

- P₂: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками А и В; другими словами, энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, свидетельство чего обеспечивается расширением пара в модуле высокого давления;

- Р₃: осушительное устройство 7 и перегреватель 8 пара первого цикла 6 подразумевают увеличение энтальпии как функции энтропии на этом отрезке кривой между точками В и С, приводя к ее возрастающему тренду;

- P₄: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками С и D; энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, свидетельством чему служит расширение пара в турбине в модуле 4 среднего давления;

- Р₅: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками D и Е, энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, этот отрезок соответствует расширению пара в турбине в модуле 5 низкого давления.

Кривая Сca отображает общее направление хода кривой в случае согласно одному варианту осуществления изобретения, другими словами, с термодинамическим циклом, который включает, в частности,

- первый цикл 6 осушения и перегрева между модулем 3 высокого давления и модулем 4 среднего давления;

- второй цикл осушения и перегрева между модулем 4 среднего давления и модулем 5 низкого давления.

Эта кривая описывает ряд различных трендов, включая:

- А: пар, производимый парогенератором, достигает входа в турбину в виде влажного пара, близкого к насыщению, такой пар называют острым паром;

- Р'₂: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками А и В; другими словами, энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, свидетельством чего служит расширение пара в модуле высокого давления;

- Р'₃: осушительное устройство 7 и перегреватель 8 пара первого цикла 6 подразумевают увеличение энтальпии как функции энтропии на этом отрезке кривой между точками В' и С', приводя к ее возрастающему тренду;

- Р'₄: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками С' и D'; энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, свидетельством чему служит расширение пара в турбине в модуле 4 среднего давления;

- Р'₅: осушительное устройство 10 и перегреватель 11 пара второго цикла 9, который реализуется во время переноса пара в турбине от модулей 4 среднего давления к модулю 5 низкого давления, вызывает повторное возрастание энтальпии как функции энтропии на этом отрезке кривой между точками D' и Е', приводя к ее возрастающему тренду;

- Р'₆: данная кривая демонстрирует нисходящий наклон между точками Е' и F', энтальпия уменьшается при увеличении энтропии, свидетельством чего служит расширение пара в модуле низкого давления.

Более конкретно, следует заметить, что энтальпия в точке В', Е (В') выше энтальпии в точке В, Е (В). Аналогично, следует заметить, что пиковое значение энтальпии в точке С', Е (С') ниже, чем пиковая величина энтальпии в точке С, Е (С). То, что второй цикл 9 может выполняться в турбине вслед за модулем 4 среднего давления, позволяет ограничить более низкий уровень перегрева пара в первом цикле 6, что обеспечивает наглядное доказательство того, что для снабжения первого перегревателя 8 пара и обеспечения решения данной технической проблемы никаких точек отбора острого пара не требуется.

Наконец, на данной фигуре показано, что кривая Сса, отображающая общий ход кривой в случае термодинамического цикла, включающего первый и второй циклы 6, 9, является более близким приближением к кривой CIs, которая для теоретического цикла представляет общую тенденцию изменения энтальпии цикла в виде функции от энтропии при том, что этот теоретический цикл отличается осушением пара после каждой ступени расширения для минимизации потерь из-за содержания влаги, чем кривая Ссs, отображающая общее направление хода кривой в случае термодинамического цикла, имеющего единственный первый цикл 6, который обеспечивает свидетельства улучшения эффективности турбины.

Без отступления от объема данного изобретения в вышеописанные варианты осуществления могут вноситься различные модифицирования.

Например, количество описанных выше модулей не ограничивается. Является возможным применение термодинамического цикла, включающего второй цикл в турбине, содержащей большее количество модулей. В частности, количество модулей низкого давления зависит от конкретных условий на данной электростанции и может без отступления от объема изобретения варьировать, например, между одним и четырьмя.

Также возможно изменение количества труб. Например, возможно наличие большего количества отводных труб.

С учетом размеров и технологии оборудование, используемое в первом и втором циклах, без отступления от объема изобретения может быть расположено параллельными рядами, обычно в два или четыре ряда.

Наконец, показанное в качестве примера на чертежах расположение подогревателя питательной воды является типовой конфигурацией. Без отступления от объема изобретения являются возможными и другие конфигурации, которые могут отличаться в том, что касается количества теплообменников, наличия или отсутствия резервуара дегазации и уровня извлечения конденсата из осушительных устройств и перегревателей пара.