Způsob chlazení nízkotlaké parní turbíny v provozu ventilace a zařízení pro provádění způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu chlazení nízkotlaké parní turbíny v provozu ventilace, při kterém se rotor parní turbíny točí bez ostřiku párou, které se má uvolnit z tlaku. Takovýto provoz ventilace se vyskytuje například ve vícetělesovém turbosoustrojí, ve kterém existuje možnost odvádět páru před nízkotlakou první turbínou, která se jinak uvolňuje z tlaku v nízkotlaké turbíně, do výměníku tepla nebo podobně. Předmětem vynálezu je i zařízení pro provádění způsobu.

Dosavadní stav techniky

Ve vícetělesovém turbosoustrojí je běžné, že se rotory jednotlivých turbín navzájem spojují a na tuho spojují s hřídelí generátoru nebo podobně. V souladu stím se všechny turbíny turbosoustrojí otáčí synchronně, stejně tak jako turbíny, které například s ohledem na jiné použití páry nepracují ve výkonném provozu.

V nízkotlaké turbíně, pracující v provozu ventilace, nepanuje absolutní vakuum, nýbrž je tam atmosféra páry, jejíž statický tlak odpovídá tlaku, který panuje v kondenzátoru spojeném s nízkotlakou turbínou. Tření lopatek turbín o tuto páru (ventilace) může vést ke značnému vývinu tepla, čímž se turbína může velmi vysoko zahřát, dokonce možná zahřát na nepřípustně vysokou teplotu. Pro zajištění bezpečného provozu ventilace je proto nezbytné chlazení.

V rámci známých opatření pro chlazení se do výtoku, nebo v případě, že chladící výkon, který se má použít, musí být obzvláště velký, do vtoku turbíny vstřikuje za rozprašování kondenzát. Kondenzát se odpaří, čímž se sníží teplota a může se tedy ochladit ventilující turbína. Nevýhodné je, že chladicí účinek kondenzátu, který se vstřikuje na výstupu turbíny, je velice omezený, popřípadě, že vstřikování kondenzátu na vstupu turbíny vede k velikému ochlazení hřídele turbíny, které je nežádoucí. Tím se jednak značně zvýší používaný chladicí výkon a jednak se hřídel turbíny ochlazením vystaví nežádoucím namáháním.

Jestliže se vstřikování provádí na výstupu, tak se chladicí účinek omezuje často na díly turbíny v blízkosti výstupu; provádí-li se vstřikování na vstupu, může kondenzát, který se v oblasti vstupu aglomeruje, v důsledku zaplavení ohrozit soustavu lopatek.

Tepelně energetické zařízení s parními turbínami jsou popsána například vDE-OS 14 26 887 a DE 34 06 071 Al; poslední spis se týká speciálně opatření pro chlazení, která jsou změřena na provozní výkon parních turbín. Odkazy na provedení vícetětesových agregátů parních turbín je možné najít například v EP 0 213 297 Bl, tyto se týkají především spojovacích prostředků mezi tělesy turbosoustrojí. Obecné odkazy na uspořádání parních elektráren jsou uvedeny v „Handbuchreihe Energie“, vydáno Thomasem Bohnem, Technischer Verlag Resch, Gráfelfing, a Verlag TUV - Rheinland, Koln, viz zejména v roce 1985 vydaný svazek 5, „Konzeption und Aufbau von Dampfkraftwerken“. Kondenzátor pro okruh voda-pára elektrárny je popsán vDE 37 17 521 Al.

US patent 3 173 654 ukazuje způsob chlazení parní turbíny v provozu ventilace, kde se kondenzát vstřikuje pomocí zvláštního uspořádání rozdělovači trubky pro chlazení do parní turbíny.

S ohledem na stav techniky je základní úlohou vynálezu uvést co nejúčinnější a nejšetmější způsob chlazení parní turbíny v provozu ventilace.

- 1 CZ 283638 B6

Podstata vynálezu

Způsob chlazení nízkotlaké parní turbíny v provozu ventilace, kde nízkotlaká parní turbína má uzavíratelný vtok, jímž se přivádí pára pro pracovní výkon, a který je při provozu ventilace uzavřený, výtok, který komunikuje s kondenzátorem pro zkondenzování páry na kondenzát, jakož i mezi vtokem a výtokem odběr, ke kterému je připojeno odběrové potrubí pro odvádění páry a/nebo kondenzátu k předehřívači při provozním výkonu, přičemž při tomto způsobu se pára přivádí do nízkotlaké parní turbíny spočívá v tom, že se pára přivádí převáděcím potrubím do odběrového potrubí a tímto, jakož i odběrem do nízkotlaké parní turbíny.

Podle výhodného provedení vynálezu se do odběrového potrubí přivádí dále kondenzát přes převáděcí potrubí pro kondenzát.

Kondenzát se může vstřikovat do převáděcího potrubí pro páru a/nebo do odběrového potrubí.

Kondenzát se vstřikuje pomocí rozprašovací trysky výhodně do odběrového potrubí a v rozprašovací trysce se mísí s párou a rozprašuje se.

Podle výhodného provedení se kondenzát pro přivádění do odběrového potrubí odvádí za čerpadlem pro kondenzát z hlavního vedení kondenzátoru.

Podle dalšího výhodného provedení se v nízkotlaké turbíně mezi odběrem a výtokem měří na měřícím místě teplota a v závislosti na teplotě se reguluje přívod páry, popřípadě přívod páry a/nebo kondenzátu, k odběrovému potrubí.

Podle dalšího výhodného provedení se přívod páry popřípadě páry a kondenzátu k odběrovému potrubí omezuje tak, aby v nízkotlaké parní turbíně vznikl proud páry, který činí maximálně asi 1 % proudu páry v nízkotlaké parní turbíně při provozním výkonu.

Podle dalšího provedení vynálezu se do nádrže pro kondenzát, do které se přivádí kondenzát z kondenzátoru a předehřívače přes hlavní potrubí pro kondenzát, se kondenzát zahřívá zaváděním páry potrubím pro topnou páru a z parního prostoru se odebírá pára a přivádí se do odběrového potrubí.

Pára, přiváděná do odběrového potrubí, se odebírá z odbočky pro páru, kterou se vede pára při provozu ventilace v nízkotlaké parní turbíny.

Pára, přiváděná do odběrového potrubí se odebírá z vysokotlaké pamí turbíny předřazené nízkotlaké pamí turbíně.

Pára přiváděná na odběru do nízkotlaké pamí turbíny strhává sebou s výhodou určitý podíl jemně rozptýlených kapek kondenzátu, neboť se takovéto kapky kondenzátu v nízkotlaké pamí turbíně odpařují a při tom mohou pohltit značná množství tepla. Takováto směs páry a kondenzátu se může získat přímo odběrem páry, která se má přivádět do nízkotlaké pamí turbíny, na vhodném místě v tepelně energetickém zařízení, vytvořit uvolněním páry z tlaku na cestě k odběru nebo dát k dispozici tím, že se pára doplní kondenzátem.

Není nutné, aby vtok nízkotlaké turbíny, která se má podle vynálezu chladit, přímo vykazoval uzavírací zařízení - uzavření vtoku nízkotlaké turbíny se může dosáhnout také tím, že se uzavře (a v souladu stím také ventiluje) středotlaká nebo vysokotlaká turbína, která je jí předřazena a komunikuje s ní. Turbína, která se má podle vynálezu chladit, může také vykazovat více odběrů.

-2CZ 283638 B6

Podstatným znakem vynálezu je, že se chladicí pára, popřípadě chladicí směs, sestávající z páry a kondenzátu, nepřivádí do turbíny na vtoku nebo na výtoku, nýbrž na odběru. Tímto způsobem prospívá chlazení v turbíně zejména radiálně vně ležícím koncům lopatek, které jsou již beztoho maximálně zatíženy třením vyvolaným stykem s párou nacházející se v turbíně. Podle vynálezu se tím účinek chlazení omezí co nejvíce na oblasti turbíny, kde je žádoucí; zabrání se ochlazení jiných částí turbíny, které je ze zmíněných důvodů zpravidla nežádoucí.

Další výhoda vynálezu tkví v parních turbínách s odběrovými potrubími, která jsou vedena od odběrových turbín svisle směrem dolů. Jestliže se do takovéhoto odběrového potrubí přivádí směs sestávající z páry a kondenzátu, tak se až k turbíně dostane jen pára a dostatečně malé kapky kondenzátu stržené párou. Větší kapky, jakož i kondenzát, který se sráží na stěnách odběrového potrubí, se odvedou dolů a nedostanou se do turbíny. Vzhledem k tomu není nutné, aby se v turbíně, chlazené podle vynálezu, s přibližně svisle dolů vedeným odběrovým potrubím, uspořádaly zvláštní odvodňovací zařízení, pomocí nichž by se kondenzát, přítomný ve volných kapkách a těžko odpařitelný musel z turbíny odvádět.

Především je vhodné, když se do odběrového potrubí přivádí kromě páry další kondenzát, zejména tak, že se převáděcím potrubím pro kondenzát vstřikuje kondenzát do převáděcího potrubí pro páru a/nebo do odběrového potrubí. Zejména je výhodné, když se kondenzát směsuje s párou v rozprašovací trysce a z této rozprašovací trysky se vstřikuje do odběrového potrubí. Kondenzát rozptýlený na malé kapičky - průměr kapiček je menší než asi 0,1 mm - uspíší obzvláště velký chladící účinek odpařením probíhajícím v turbíně, která se má chladit za pohlcení tepla.

Kondenzát pro přívod do odběrového potrubí se s výhodou za čerpadlem kondenzátu dopravujícím kondenzát odvětvuje z hlavního vedení kondenzátu; tímto způsobem je možné vypustit zvláštní dopravní zařízení pro kondenzát, který se v rámci vynálezu doplňuje.

Zejména výhodně se způsob podle vynálezu řídí tak, aby se ve ventilující nízkotlaké turbíně, chlazené podle vynálezu, měřila mezi odběrem a výtokem na měřícím místě teplota a v závislosti na této teplotě se řídil přívod páry, popřípadě přívod směsi páry a kondenzátu, k odběrovému potrubí.

S výhodou se přívod páry, popřípadě páry a kondenzátu k odběrovému potrubí, ohraničuje v rámci vynálezu tak, aby v nízkotlaké turbíně vznikl proud páry, který by odpovídal podílu řádové velikosti asi 1 % proudu páry při provozním výkonu. Proud páry této řádové velikosti umožňuje podle vynálezu chlazení turbíny v postačujícím rozsahu, nevykonává ale tolik práce, aby se mohla ovlivnit regulace počtu otáček turbosoustrojí, jehož součástí je chlazená turbína.

Výhodné je, když se pára, používaná pro chlazení nízkotlaké turbíny (která obsahuje s výhodou určitý podíl jemně rozptýlených kapek kondenzátu) odebírá z nádrže pro kondenzát, která je stejně často uspořádána v parních elektrárnách, a slouží pro sběr, ohřev a odplynění kondenzátu. Do takovéto nádrže kondenzátu se pro účely odplynění kondenzátu přivádí zpravidla topná pára; tím se udrží kontinuálně velice konstantní termodynamické podmínky v nádrži pro kondenzát. Proto nádrž pro kondenzát představuje výhodný zásobník pro páru použitelnou podle vynálezu, neboť pára odebraná z parního prostoru nádrže na kondenzát se kontinuálně ihned nahražuje odpařením kondenzátu, přičemž na základě malých množství páry, potřebných podle vynálezu, nedojde k žádným podstatným změnám termodynamických poměrů v nádrži pro kondenzát. Pára z nádrže pro kondenzát je na základě koexistence páry a kondenzátu nasycená; popřípadě je dokonce doplněná rozptýleným kondenzátem, a hodí se proto zejména pro použití v rámci vynálezu.

Také je výhodné, když se pára přiváděná podle vynálezu do odběrového potrubí, odebírá z odbočky páiy, kterou se při provozu ventilace nízkotlaké turbíny vede pára okolo této. Takováto odbočka pro páru vede například páru od vysokotlaké parní turbíny popřípadě zařízení sestávajícího z vysokotlaké parní turbíny a středotlaké parní turbíny, které jsou předřazeny nízkotlaké parní turbíně okolo nízkotlaké parní turbíny k topnému zařízení nebo podobně, kde pára se pokud možná ochladí a zkondenzuje. Zejména je výhodné, když se pro získání směsi páry a kondenzátu pára přiváděná do odběrového potrubí odebírá z takovéhoto topného zařízení.

Dále je výhodné, když se pára, přiváděná do odběrového potrubí, odebírá přímo nebo nepřímo (například z předehřívače nebo podobně, který je jí napájen) z vysokotlaké nebo středotlaké parní turbíny, předřazené nízkotlaké parní turbíny. Pára, odebraná z místa okruhu páry a kondenzátu, předřazeného nízkotlaké parní turbíně, má obvykle dostatečně vysoký vlastní tlak a může být proto přiváděna k odběrovému potrubí, aniž by byla pro to nutná zvláštní čerpadla nebo podobně. Pára, která je pod dostatečně velkým tlakem, může být uvolněním z tlaku převedena na směs páry a kondenzátu, která je obzvláště výhodná pro chlazení nízkotlaké pamí turbíny podle vynálezu.

Předmětem vynálezu je i zařízení pro provádění způsobu. Toto zařízení je tvořeno uzavřeným okruhem, který zahrnuje vysokotlakou pamí turbínu, nízkotlakou pamí turbínu, kondenzátor, předehřívač a nádrž pro kondenzát, které jsou navzájem spojeny parními spojovacími potrubími popřípadě hlavními potrubími pro kondenzát, přičemž do hlavního potrubí pro kondenzát je vřazeno čerpadlo pro kondenzát a mezi vysokotlakou pamí turbínou a nízkotlakou pamí turbínou se v parním spojovacím potrubí nachází přepínač, například tvořený klapkami, pro odvod páry z vysokotlaké pamí turbíny odvodem páry k výměníku tepla a pro odvádění kondenzátu nebo pro odběr páry pro vytápění předehřívače je mezi vtokem a výtokem uspořádán odběr, ke kterému je připojeno odběrové potrubí, které vede od odběru k předehřívači a dále je v nádrži pro kondenzát pamí prostor pro odběr páry a její převedení převáděcím potrubím do odběrového potrubí.

Přehled obrázků na výkrese

Další vysvětlení vynálezu je provedeno pomocí příkladu provedení, který je znázorněn schematicky na výkrese.

Příklady provedení vynálezu

Jediný obr. ukazuje výřez elektrárny, ve které je pracovní prostředek, speciálně voda, veden v uzavřeném okruhu. Okruh zahrnuje vysokotlakou pamí turbínu 17, nízkotlakou pamí turbínu 1, kondenzátor 9, předehřívač 7 a nádrž 8 pro kondenzát; další součástí okruhu, například kotel, nejsou znázorněny. Pro přehlednost je znázorněna pouze jedna vysokotlaká pamí turbína 17; samozřejmě se vynález dá používat i u okruhů, ve kterých se nacházejí tři nebo více těles turbín, nebo ve kterých není jednoproudová turbína, jak je to znázorněno, nýbrž dvouproudová. Rovněž znázornění jediného předehřívače 7 nemá vyloučit použitelnost vynálezu pro okruhy, ve kterých je uspořádáno více předehřívačů 7. Znázorněné součásti okruhu jsou navzájem spojeny parními spojovacími potrubími 18 popřípadě hlavními potrubími 9 pro kondenzát. Do hlavního potrubí 9 pro kondenzát je vřazeno čerpadlo 15 pro kondenzát. I toto čerpadlo 15 pro kondenzát je znázorněno jako zástupce pro popřípadě přítomný větší počet takových čerpadel 15 pro kondenzát. Mezi vysokotlakou pamí turbínou 17 a nízkotlakou pamí turbínou 1 se v parním spojovacím potrubí 18 nachází přepínač 19, který je obvykle tvořen klapkami, pomocí něhož lze odvést páru odtékající z vysokotlaké pamí turbíny 17 odvodem 20 páry k výměníku 21 tepla, takže vždy podle nastavení přepínače 19 není nízkotlaká pamí turbína 1 ostřikována párou. Výměník 21 tepla symbolizuje větší počet možností využití páry, která vytéká z vysokotlaké pamí turbíny 17. Ve znázorněném příkladu se pára, přiváděná do výměníku 21 tepla, kondenzuje

-4CZ 283638 B6 v tomto výměníku 21 tepla a teče jako kondenzát přes zpětné potrubí 22 pro kondenzát do hlavního potrubí 9 pro kondenzát před předehřívačem 7.

Nízkotlaká parní turbína 1 má být spojena na tuho s vysokotlakou parní turbínou 17, takže rotory obou parních turbín 1 a 17 běží synchronně. Když se tedy pára, proudící z vysokotlaké parní turbíny 17 odvádí parní odbočkou 20, rotuje nízkotlaká parní turbína 1 na prázdno; vzhledem k tomu, že v této nízkotlaké turbíně 1 panuje statický tlak, který odpovídá tlaku páry v kondenzátoru, vzniká tření. K odvodu tepla ztrátou energie páry uvolněné při provozním výkonu v nízkotlaké parní turbíně 1 ale nedochází. S ohledem na to může být pro umožnění provozu ventilace nízkotlaké parní turbíny 1 potřebné chlazení.

Nízkotlaká parní turbína 1 je na vtoku 2 ostřikována párou, a pára uvolněná z tlaku opouští nízkotlakou parní turbínu 1 na výstupu 3 ke kondenzátoru. Pro odvádění kondenzátu, který nyní vzniká v nízkotlaké parní turbíně 1 při provozním výkonu uvolněním páry, která koná práci z tlaku, nebo pro odběr páry pro vytápění předehřívače 7, je mezi vtokem 2 a výtokem 3 uspořádán odběr 4, kde je připojeno odběrové potrubí 6. Odběrové potrubí 6 vede od odběru 4 k předehřívači 7, kde se odebraný pracovní prostředek použije pro předehřátí kondenzátu z kondenzátoru 5. Pro odvádění pracovního prostředku, odebraného na odběru 4 z předehřívače 7 existuje více možností; například může tento po průtoku předehřívačem 7 protékat dalším neznázoměným předehřívačem a konečně se může spojit s kondenzátem v hlavním vedení 9 pro kondenzát. Hlavním vedením 9 kondenzátu teče kondenzát do nádrže 8 pro kondenzát (který se příležitostně označuje také jako odplyňovač). V nádrži 8 pro kondenzát se kondenzát zahřívá párou, která je zaváděna potrubím 10 topné páry pod hladinou 26 kondenzátu. Toto ohřívání slouží mimo jiné ktomu, aby se z kondenzátu odstranily plyny, jako například kyslík. Nad hladinou 26 kondenzátu se nachází v nádrži 8 pro kondenzát parní prostor 11 naplněný párou, při provozu ventilace je vtok 2 nízkotlaké parní turbíny 1 uzavřen, a pára proudící z vysokotlaké parní turbíny 17 se odvádí parní odbočkou 20. V nízkotlaké parní turbíně 1 se tím nastaví statický tlak, který odpovídá tlaku páry v kondenzátoru 5. Rotující díly nízkotlaké parní turbíny 1 roztírají páru zbývající v nízkotlaké pami turbíně 1, a vznikne značně vysoké teplo. Toto teplo nemůže být jako při výkonnostním provozu pohlceno expandovanou párou a odvedeno, neboť v nízkotlaké parní turbíně 1 nedochází k žádné expansi páry. Tím je zapotřebí zvláštní chlazení. Za tím účelem se z parního prostoru 11 odebírá pára a přivádí se převáděcím potrubím 12 pro páru do odběrového potrubí 13 pro páru kondenzát; pára a kondenzát se vstřikují schematicky naznačenou rozprašovací tryskou 14 společně do odběrového potrubí 6. V odběrovém potrubí 6 vzniká z páry a jemně rozptýlených kapek kondenzátu směs, která pro účely chlazení proudí na odběru 4 do nízkotlaké parní turbíny L Převodní potrubí 13 pro kondenzát vyúsťuje za čerpadlem 15 pro kondenzát do hlavního potrubí 9 pro kondenzát. Není nutné, aby se kondenzát a pára přiváděly do odběrového potrubí 6 jedinou rozprašovací tryskou 14; pára a kondenzát se mohou přivádět i nezávisle na sobě do odběrového potrubí 6. Pro omezení proudu páry v nízkotlaké parní turbíně 1 se může v převáděcím potrubí 12 pro páru popřípadě uspořádat kritická clona. Pro regulaci chlazení nízkotlaké parní turbíny 1 při provozu ventilace, bez pracovního výkonu, je v ní mezi odběrem 4 a výtokem 3 uspořádáno měřicí místo 16, kde se měří teplota; toto měření teploty se vyhodnocuje neznázoměným, samo o sobě známým prostředkem a přivádí se přes řídicí vedení 25 do parního regulačního ventilu 23 v převáděcím potrubí 12 pro páru, popřípadě do regulačního ventilu 24 pro kondenzát v převáděcím potrubí 13 pro kondenzát.

Konečně je nutné poznamenat, že převáděcí potrubí 12 pro páru a převáděcí potrubí 13 pro kondenzát nemusí být během provozního výkonu nízkotlaké parní turbíny 1 bezpodmínečně dokonale uzavřena; pomocí malých oběžných vedení, pomocí nichž jsou komerčně spojeny parní regulační ventil 23 popřípadě regulační ventil 24 pro kondenzát, se může udržet nepatrný tok páry popřípadě kondenzátu k odběrovému potrubí 6, což může být výhodné pro udržení teploty převáděcího potrubí 12 pro páru a převáděcího potrubí 13 pro kondenzát za určitých okolností.

Pokud není k dispozici nádrž 8 pro kondenzát pro odběr páry pro napájení do odběru nízkotlaké parní turbíny 1, může být taková pára odebírána z parního spojovacího potrubí 18 mezi vysokotlakou parní turbínou 17 a nízkotlakou parní turbínou 1 nebo odbočky 20 pro páru, dokonce pokud možno z výměníku 21 tepla; myslitelný je i odběr z neznázoměného 5 předehřívače, přiřazeného k vysokotlaké turbíně 17. Vzhledem ktomu, že vysokotlaká parní turbína 17 pracuje i v provozu ventilace nízkotlaké parní turbíny 1 v provozním výkonu, lze v každém případě vycházet z toho, že termodynamické poměry, jak ve vysokotlaké parní turbíně 17, tak i v pomocných zařízeních, které s ní přímo komunikují jsou velmi stálé, takže mohou být bez dalšího použity pro zapojení do systému chlazení ventilující nízkotlaké turbíny 1 podle 10 vynálezu.

Průmyslová použitelnost

Způsob a zařízení podle vynálezu pro chlazení nízkotlaké parní turbíny 1 v provozu ventilace je zejména co se týká energie obzvláště úsporný, neboť může maximálně využívat zdroje, které jsou tak jako tak k dispozici, a nemá nároky na materiál protože chladící účinek se projevuje hlavně pouze v oblastech nízkotepelné parní turbíny 1, kde je žádoucí.