CN103032117A - 包含优化效率的蒸汽涡轮机模块的装置 - Google Patents

包含优化效率的蒸汽涡轮机模块的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括高压蒸汽涡轮机模块(1)、中压蒸汽涡轮机模块(2)和至少一个低压蒸汽涡轮机模块(3)的装置，密封设备(100、101、200、300)定位在旋转涡轮轴(5)和各个涡轮机模块的相应壳体(10、20、30)之间，每个模块包括其中容置涡轮机的主腔室(1’、2’、3’)，该装置包括：第一收集腔室(C1)定位在高压模块(1)的壳体(10)中以便收集在大于大气压的压力下的经过其密封设备(100、101)离开所述高压模块(1)的蒸汽漏流(F11)；以及喷射腔室(Ca、Cb)定位在低压模块(3)的壳体(30)中并且由第一回路(61)连接至所述第一收集腔室(C1)，使得蒸汽从所述第一收集腔室(C1)向所述喷射腔室(Ca、Cb)传送，然后经过(F31a、F31b)其密封设备(300a、300b)向低压模块(3)的主腔室(3’)传送。

Description

包含优化效率的蒸汽涡轮机模块的装置
技术领域
本发明涉及包括蒸汽涡轮机模块的核装置的领域。这种类型的装置通常由多个涡轮机模块构成，包括高压模块、一个或多个低压模块、和中间中压模块。每个模块能够以单流或双流布置来构造。该装置将用于通过由涡轮机模块驱动的交流发电机产生电力。该装置可以以化石燃料或核能来操作。
背景技术
已知类型的装置具有连接不同模块的转子的旋转涡轮轴。每个转子容纳在壳体中。密封设备定位在涡轮轴和每个壳体之间。蒸汽泄漏在密封设备处发生。在现有技术中，在高压模块的密封设备处发生的泄漏被收集并且送到漏流收集系统。
特别地，这一类型的设备具有如下缺点：使相当多的进入空气经过低压模块进入蒸汽循环，因为低压模块是处在比环境低的压力。该空气进入导致蒸汽的热力学特性方面的改变，因此降低效率。而且，因为工作在低压模块的蒸汽接近饱和，这种空气进入也可以导致出现水滴，这可以损害位于低压模块的出口处的冷凝器。依照现有技术，这个问题的一个解决办法是产生供给在低压模块中的新鲜蒸汽，所述新鲜蒸汽在来源处离开，也就是在蒸汽发生器中。这的确限制了空气的进入，但是具有限制蒸汽流中新鲜蒸汽的工作的缺点。
发明内容
本发明将用于克服一些或者所有这些缺点，并且通过优化蒸汽循环来改进装置的效率。
在第一方面，该装置包括高压蒸汽涡轮机模块、中压蒸汽涡轮机模块和至少一个低压蒸汽涡轮机模块，密封设备被定位在旋转涡轮轴和不同涡轮机模块的相应壳体之间，每个模块包括其中容置涡轮机的主腔室，该装置还包括：
-第一收集腔室，其定位在高压模块的壳体中，以便收集在大于大气压的压力下的经过其密封设备离开所述高压模块的蒸汽漏流(steam leaks)；以及
-喷射腔室，其定位在低压模块壳体中并且由第一回路连接至第一收集腔室，使得在大于大气压的压力下，蒸汽从第一收集腔室向喷射腔室传送，然后经过其密封设备向低压模块的主腔室传送。这些特点使得能够最小化或者甚至消除对低压模块密封设备的任何新鲜蒸汽供给，由此特别地改进装置的效率。依照另外的特性，该装置包括第二收集腔室，其定位在中压模块壳体中，从而收集经过其密封设备离开中压模块的蒸汽漏流，并且经由第一回路向喷射腔室传送所述漏流。这使得能够补充蒸汽供给，以便供给低压模块密封设备，并且通过减小新鲜蒸汽需求进一步改进装置的效率。
根据具体特性，该装置包括第三收集腔室，其定位在高压模块的主腔室和第一收集腔室壳体之间，从而经过其密封设备来自高压模块的蒸汽的漏流被收集，并且所述漏流经由导管被引导向中压模块的主腔室或引导向低压模块的主腔室的入口。这使蒸汽循环能够在中压模块或低压模块的工作循环中，通过使用从高压模块漏流获得的蒸汽的能量而进一步被最佳化。
根据具体特性，第三收集腔室保持在高压模块壳体中的压力和第一收集腔室中的压力之间的压力水平。该布置使蒸汽漏流的回收能够在高压模块的密封设备处被最佳化。
根据具体特性，不同蒸汽涡轮机模块的每个密封设备具有第四收集腔室，第四收集腔室定位在有关模块的壳体中，所述第四收集腔室具有低于大气压的压力，以便不仅收集经过其密封设备离开所述模块的蒸汽的漏流，而且收集从有关壳体外部进入的任何空气。因为该特性，空气进入不同模块和蒸汽向外部的泄漏都有效地被避免。在上下文中，应用于模块的术语“内部”意味着壳体内的空间，而术语“外部”意味着延伸超出由所述模块的壳体限定的界限的外面的空间。
根据具体特性，每个第四收集腔室由导管连接至在低于大气压的压力下的第二回路。因为这个特性，收集在第四腔室中的空气和蒸汽可以有效地吸出并移除。
根据具体特性，第一回路具有将其压力保持为高于大气压的水平的压力控制器具。因为这个特性，蒸汽能从第一和/或第二腔室向喷射腔室传送。
附图说明
根据下面的描述并参照附图，本发明的其它特性和优点将会变得清晰，在附图中以示例方式示出，
-图1示出了依照本发明的装置；
-图2示出了图1的装置的变体；
-图3是经过图2的高压模块的密封设备的轴向横截面图；
-图4是经过图1和图2的中压模块的密封设备的轴向横截面图。
具体实施方式
图1示出了依照本发明的装置，设有其蒸汽回路。该装置包括高压蒸汽涡轮机模块1、中压蒸汽涡轮机模块2和一个或多个低压蒸汽涡轮机模块3。高压涡轮机被供给新鲜蒸汽，换言之，被供给来自蒸汽发生器40的蒸汽，例如核能蒸汽发生器。离开高压模块1的蒸汽被导管41经过干燥器/过热器42向着中压模块2的入口引导。离开中压模块2的蒸汽被导管43向着低压模块3的入口引导。低压模块3的出口被连接到蒸汽冷凝器6。
不同模块1、2、3的转子被互相连接以形成旋转涡轮轴5。每个转子容纳在分别属于模块1、2、3的壳体10、20、30中，并且更精确地是容纳在所述模块1、2、3各自的主腔室1’、2’、3’中，涡轮机在主腔室1’、2’、3’中运转。密封设备100、200、300a、300b定位在不同模块的涡轮轴5和壳体10、20、30之间。
高压模块1的密封设备100包括三个密封垫圈，即，在最接近模块1的端部上的第一垫圈11，在模块1外部的端部上的第三垫圈13，和在第一垫圈11和第三垫圈13之间的第二垫圈12。第一垫圈11引起从高压模块1的主腔室1’向定位在高压模块1的壳体10中的第一收集腔室C1的蒸汽的漏流F11。第一收集腔室C1被导管15连接至第一回路61。
第四收集腔室C4定位在第二和第三垫圈12、13之间在高压模块1的壳体10中，并且收集来自第二垫圈12的漏流F12和经过第三垫圈13在F13处吸入的环境空气。为了这个目的，第四收集腔室被保持在稍微低于大气压的压力，通过由导管14将腔室C4连接到第二回路60，也称为冷凝回路：压力被保持在水平PC，接近0.95巴(C4)。借助于冷凝器6来获得压力减小，第二回路60连接到冷凝器6。另外三个密封设备每个装配有使用第四收集腔室C24、C4a、C4b这种类型的减压系统。
应当注意在此陈述的值只是为了指导，并且可以有接近于整数的百分比误差，换言之，大约1％的误差。
在该情况下，低压模块3是双流模块。其以对称布置方式在每个端部设有密封设备300a、300b。每个密封设备300a、300b包括三个垫圈，即，在模块3中的第一垫圈31a、31b，在模块3中的第三垫圈33a、33b，和在第一和第三垫圈之间的第二垫圈32a、32b。第一垫圈31a、31b允许从定位在低压模块3的壳体30中的喷射腔室Ca、Cb向壳体30的主腔室3’的蒸汽喷射F31。
第四收集腔室C4a、C4b定位在第二和第三垫圈32a、33a、32b、33b之间在高压模块3的壳体30中，并且收集来自第二垫圈32a、32b的漏流F32a、F32b和经过第三垫圈33a、33b在F13a、F13b处吸入的环境空气。第四腔室C4a、C4b中的压力借助于导管34a、34b减小，导管34a、34b按照如对高压模块1的第四腔室C4同样的方式把该腔室连接到第二回路60。
喷射腔室Ca、Cb经由导管35a、35b连接至第一回路61并且连接至第一收集腔室C1(经由导管15)，使得蒸汽从第一收集腔室C1向喷射腔室Ca、Cb传送，然后经过其密封设备300a、300b送向低压模块3的主腔室3’。更精确地，引入喷射腔室Ca、Cb内的蒸汽处于比低压模块3的主腔室3’中的压力高的压力，并且在垫圈31a、3ab处的漏流F31a、F31b使该蒸汽进入壳体30。为此，第一回路61被保持在接近1.15巴的压力PR，稍微高于大气压，而壳体30的内部被连接到冷凝器6，因此被保持在稍微低于大气压的压力。为了在第一回路61中提供压力，可能借助于减压器44和导管45从蒸汽发生器4获取新鲜蒸汽。第一回路61也被称为受控制的回路。
来自漏流F11的蒸汽在高压模块1的密封设备100处回收，并且通过在漏流F31a、F31b的位置供给至密封设备300a、300b而引入低压模块3之内。这使得能够最小化或者甚至除去通过减压器44的任何新鲜蒸汽供给，由此特别地改良装置的效率。然后新鲜蒸汽完全地被储备用于引入高压模块1内，高压模块1是为电力生成作出最多工作的地方。
中压模块2的密封设备200包括三个垫圈，即，第一垫圈21、第三垫圈23、和在第一垫圈21和第三垫圈23之间的第二垫圈22。第一垫圈21引起从高压模块2的主腔室2’向定位在高压模块2的壳体20中的第二收集腔室C2的蒸汽的漏流F21。第一收集腔室C2由导管25连接至第一回路61。其保持在接近1.15巴的压力PR，稍微高于大气压。如此，经过垫圈21来自中压模块2的蒸汽漏流F21，具体地来自其主腔室2’的蒸汽漏流F21经由导管25、第一回路61和导管35a、35b传送入喷射腔室Ca、Cb之内，然后经过垫圈31a、31b向低压模块3的主腔室3’传送。来自中压模块2的密封设备200处的漏流F21的蒸汽因此被回收，然后通过供给至密封设备300a、300b内而引入低压模块3内，特别是引入主腔室3’内，涡轮机在主腔室3’内运转。这使得能够补充由来自高压模块1的漏流F11提供的供给，由此进一步最小化或甚至消除经过减压器44的任何新鲜蒸汽供给，而且进一步改进装置的效率。
第四收集腔室C24在定位第二和第三垫圈之间在中压模块2的壳体20中，而且收集来自第二垫圈22的漏流F22和经过第三垫圈23在F23处吸入的环境空气。第四腔室C24中的压力借助于将该腔室连接至第二回路60的导管24而减小，按照对高压模块的第四腔室C4同样的方式。
图2示出了具有如下描绘的变体的增加部分的图1的装置。高压模块1的密封设备101包括定位在高压模块1的主腔室1’和第一垫圈11之间的第四密封垫圈16。第四垫圈16引起从高压模块1的主腔室1’向定位在高压模块1的壳体10中的第三收集腔室C3的蒸汽的漏流F16。第三收集腔室C3由导管55连接至中压模块2的工作蒸汽入口56或连接至供给低压模块3的导管43。因此，第三收集腔室C3在高压模块1的壳体10的内部和第一收集腔室C1之间定位，使得经过其密封设备101离开所述高压模块1(特别是其主腔室1’)的蒸汽的漏流F16被收集，并且这些漏流经由导管55朝着中压模块2的主腔室2’或者朝着低压模块3的主腔室3’的入口被导向。这使蒸汽循环能够在中压模块或低压模块的工作循环中通过使用从高压模块漏流获得的蒸汽的能量而被进一步最佳化。
第三收集腔室中的压力被保持在高压模块壳体10内的压力(接近11.5巴)和第一收集腔室C1中的压力(接近1.15巴)之间的水平PT。在示例中，第三收集腔室C3的压力接近3巴。
图3示出了图2的高压模块1的密封设备101。能在这里看到壳体10，也称为模块的外部本体。该壳体接收连接到旋转轴5的转子50的端部。三个腔室C1、C3、C4定位在壳体10的端部中。第三收集腔室C3定位在高压模块1的壳体10的主腔室1’和第一收集腔室C1之间。
在壳体10中形成的沟道19从高压模块16的主腔室1’经过第四垫圈16向第三收集腔室C3引导蒸汽的漏流F16。这些漏流然后经由导管55向低压模块2的工作级(入口56)或向低压模块3的主腔室3’(导管43)的入口引导。
在壳体中形成的沟道17将蒸汽的漏流F11经过第一垫圈11向第一腔室C1引导。在腔室C1中收集的蒸汽然后经由导管15和第一回路61向低压模块3的喷射腔室Ca、Cb传送。
在壳体中形成的沟道18将蒸汽的漏流F12以减小的压力通过第二垫圈12连同通过第三垫圈13进入的空气一起向第一腔室C4导向。到达第四腔室C4的空气和蒸汽经过导管14吸入第二回路60中。该布置能够避免空气进入高压模块。
应当注意第一和第二垫圈11、12由二个环形垫圈构件构成，第四垫圈16由四个环形垫圈构件构成，而第三垫圈13由单个环形构件构成。
为了将图3的密封设备应用到图1的装置，只需简单地去掉第三腔室C3、沟道19和垫圈16。
图4示出了图1和图2的中压模块2的密封设备200。能看到壳体20，其接收连接至旋转轴5的转子50的端部。二个腔室C2、C24定位在壳体20的端部。第二收集腔室C2定位在中压模块2的主腔室2’和第四收集腔室C24之间。
在壳体20中形成的沟道27将蒸汽的漏流F21从中压模块2的主腔室2’经过第一垫圈21向第二收集腔室C2引导。这些漏流然后经由导管25和第一回路61向低压模块3的喷射腔室Ca、Cb传送。
在壳体中形成的沟道28将蒸汽的漏流F22以减小的压力通过第二垫圈22连同通过第三垫圈23进入的空气一起向第一腔室C24引导。到达第四腔室C4的空气和蒸汽经过导管24吸入第二回路60中。
第一和第二垫圈21、22由两个环形垫圈构件构成。第三垫圈23由单个环形构件构成。
低压模块3的密封设备300a、300b的布置与图4中显示的用于中压模块2的相同。
每个第一、第二、第三和第四腔室C1、C2、C3、C4、C24、C4a、C4b，还有喷射腔室Ca、Cb，通过至少一个定位于壳体10、20、30中的沟道17、27、19、18、28与所述涡轮轴5和各个壳体10、20、30之间的漏流通道直接连通。每个沟道在二个环形密封垫圈11、12、13、16、21、22、23、31a、32a、33a、31b、32b、33b之间开口于所述漏流通道。
在实践中，旋转轴和垫圈之间的各种漏流的蒸汽流率通过调整垫圈和轴之间的通道的渗透率来调节。该渗透率通过规定轴和垫圈之间的间隙量来调节。其也能通过改变采用的环形垫圈构件的数量来调节。
图1的装置特别适合用于包括三个低压模块3的构造。对于图2的装置，其特别适合用于包括二个低压模块2的构造。
可替代地，在优选实施方式中，装置可以具有包围高压蒸汽涡轮机模块和中压蒸汽涡轮机模块的单个壳体(图未示)。在这种情况下，第一收集腔室(C1)和第二收集腔室(C2)被放置在相同的壳体中，每个所述第一和第二收集腔室以高于大气压的压力通过其密封设备分别定位在高压和中压涡轮机模块的出口处。
该装置，特别是核能类型，优选设计成接收在低温度和低压力下的大流量的饱和蒸汽。特别地，高压和中压涡轮机模块设计成接收超过每小时5000吨的在低温下和在低于100巴的压力下的饱和蒸汽流，优选超过每小时8000吨的饱和蒸汽流，在低温下换言之是低于350℃，优选低于300℃。
最后，在高、中压涡轮机模块和低压涡轮机模块之间的界面处的释出或排放压力优选小于10巴。

Claims (9)

1.一种包括高压蒸汽涡轮机模块(1)、中压蒸汽涡轮机模块(2)和至少一个低压蒸汽涡轮机模块(3)的装置，密封设备(100、101、200、300)定位在旋转涡轮轴(5)和不同涡轮机模块的相应壳体(10、20、30)之间，每个模块包括其中容置涡轮机的主腔室(1’、2’、3’)，
该装置的特征在于：
-第一收集腔室(C1)被定位在高压模块(1)的壳体(10)中，以便收集在大于大气压的压力下经过其密封设备(100、101)离开所述高压模块(1)的蒸汽漏流(F11)；以及
-喷射腔室(Ca、Cb)被定位在低压模块(3)的壳体(30)中并且由第一回路(61)连接至所述第一收集腔室(C1)，从而蒸汽从所述第一收集腔室(C1)向所述喷射腔室(Ca、Cb)传送，然后经过(F31a、F31b)其密封设备(300a、300b)向低压模块(3)的主腔室(3’)传送。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二收集腔室(C2)被定位在该中压模块(2)的壳体(20)中，以便收集在大于大气压的压力下经过其密封设备(200)离开所述中压模块(2)的蒸汽漏流(F21)，并且经由所述第一回路(61)向所述喷射腔室(Ca、Cb)传送所述漏流。
3.如权利要求1和2中任一项所述的装置，其特征在于，第三收集腔室(C3)被定位在所述高压模块(1)的所述主腔室(1’)和所述第一收集腔室(C1)之间，从而在大于大气压的压力下经过其密封设备(101)离开所述高压模块(1)的蒸汽的漏流(F16)被收集，并且所述漏流经由导管(55)被引导向所述中压模块(2)的主腔室(2’)或引导向所述低压模块(3)的主腔室(3’)的入口。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第三收集腔室(C3)中的压力保持在所述高压模块(1)的主腔室(1’)中的压力和所述第一收集腔室(C1)中的压力之间的压力水平。
5.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述不同蒸汽涡轮机模块(1、2、3)的每个密封设备(100、101、200、300)具有第四收集腔室(C4、C24、C4a、C4b)，所述第四收集腔室(C4、C24、C4a、C4b)被定位在有关模块(1、2、3)的壳体(10、20、30)中，所述第四收集腔室(C4、C24、C4a、C4b)具有低于大气压的压力，以便不仅收集经过其密封设备离开所述模块的蒸汽的漏流(F12、F22、F32a、F32b)，而且收集从有关壳体外部进入的空气(F13、F23、F33a、F33)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，每个第四收集腔室(C4、C24、C4a、C4b)由导管(14、24、34a、34b)连接至在低于大气压的压力下的第二回路(60)。
7.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一回路(61)具有将其压力保持为高于大气压的水平的压力控制器具(44)。
8.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，每个所述腔室(C1、C2、C3、C4、C24、C4a、C4b、Ca、Cb)通过至少一个沟道(17、27、19、18、28)直接地与所述涡轮轴(5)和各个壳体(10、20、30)之间的漏流通道连通。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，每个所述沟道在二个环形密封垫圈(11、12、13、16、21、22、23、31a、32a、33a、31b、32b、33b)之间开口于所述漏流通道。
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