PL104666B1 - Regulowana turbina do elektrocieplowni - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest regulowana turbina do elektrocieplowni dla kombinowanego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, z której zostaje pobierany, czesciowo odprezony czynnik roboczy, który swoje, cieplo oddaje w co najmniej jednym wymienniku ciepla ze srodkiem ogrzewanym, przewaznie woda. Problemy zwiazane z tego rodzaju regulowana turbina, zwlaszcza z powodu powszechnego zapotrzebowania ciepla, sa zalezne od pór roku. Wiecie powstaje zapotrzebowanie tylko cieplej wody i ewentualnie ciepla dla procesów przemyslowych. Ilosc cieplej wody mozna zmniejszac, obnizac jej temperature albo jedno i drugie.

Jesli zapotrzebowanie ciepla w zimie wzrosnie wówczas nalezy zwiekszyc ilosc lub podwyzszyc tempera¬ ture albo jedno i drugie, co wymaga podwyzszonego czynnika roboczego pobieranego z turbiny. Ponizszy przyklad elektrocieplowni z podstawowa turbina parowa dokladnie to wyjasnia.

Przyjmujac, ze dostarczana ilosc swiezej pary w wytwornicy pozostaje stale na tym samym poziomie, to wówczas powstaje podwyzszony pobór pary powodujacy obnizenie cisnienia pary w miejscu lub miejscach jej pobierania.

Jezeli ilosc swiezej pary zmniejszy sie, na przyklad w przypadku, gdy elektryczna wydajnosc odpowiada¬ jaca calkowitej ilosci swiezej pary, nie moze byc odbierana z sieci, wówczas moze sie zdarzyc, ze cisnienie w miejscu pobierania obniza sie, przy czym kazdorazowo ilosc pary nie wzrasta samoczynnie. Wymaga to zwiekszenia cisnienia.

Wedlug znanego rozwiazania stosuje sie w przeplywie pary, która pozostaje w turbinie po pobraniu, organ dlawiacy. Pozwala to przy podwyzszonym poborze do utrzymywania lub nawet jeszcze podwyzszania cisnienia.

Niekorzystnym jest to, ze w procesie dlawienia powstaja duze straty energii.

Znane jest rozwiazanie, przy którym glówny strumien pary turbiny przeplywa niedlawiony, a oddawanie ciepla do sieci ogrzewczej nastepuje przez szereg wlaczalnych i wylaczalnych wymienników ciepla, korzystnie regulowanych przez dlawienie najwyzszym miedzystopniowym upuscie pary. Takie przelaczanie wymaga zasto¬ sowania co najmniej jednego wymiennika ciepla wiecej niz w wyzej przedstawionym rozwiazaniu i oprócz tego nie odpowiada wymaganiom dobrej regulacji ciepla, a szczególnie wówczas, gdy maksymalna wydajnosc ele¬ ktryczna szeregu turbin nie jest odbierana z sieci. W praktyce stosowane sa z tego powodu obydwa wymienione2 104666 kombinowane rozwiazania, których wady regulacji zostaly przedstawione.

Inne znane rozwiazanie, nie stosowane z uwagi na wysokie koszty eksploatacji, polega na tym, ze poza miejscem poboru turbiny dolaczony jest kompletny stopien regulacji. Strumien pary jest pobierany z turbiny i dzielony na kilka przewodów. Kazdy przewód jest zaopatrzony w zawór dyszowy i prowadzi do szeregu dysz stopnia turbiny, pracujacego ze zmiennym zasilaniem.

Znane jest równiez nie stosowane rozwiazanie, które polega na tym, ze cala niskocisnieniowa czesc turbi¬ ny, napedzajaca wlasnym walem osobny generator jest wylaczana w okresie zimowym.

Zadaniem wynalazku jest usuniecie powyzszych strat i zastosowanie regulacji przez zmiane ilosci pobiera¬ nia w duzym zakresie, bez istotnych zmian sprawnosci turbiny. Zostalo to osiagniete dzieki temu, ze bezposred¬ nio blisko miejsca pobierania czynnika roboczego, co najmniej jeden stopien turbiny skladajacy sie z kaskady profili kierujacych i wirujacych jest zaopatrzony w obrotowe lopatki kierujace. Szczególnie jest celowe, kiedy pierwsza kaskada profili z obrotowymi lopatkami kierujacymi jest umieszczona, w kierunku przeplywu, za miejscem pobierania.

Korzystne jest szczególnie to, ze w przeciwienstwie do znanego rozwiazania, pozostajacy w turbinie niedla- wiony czynnik roboczy nie powoduje strat przeplywu. Oprócz tego nie musi byc najpierw pobierana cala ilosc czynnika roboczego turbiny i po upuscie pozostajaca ilosc znowu wprowadzana poprzez zawór dlawiacy lub dyszowy, które to czynnosci powoduja straty przeplywu.

W uprzywilejowanej formie wykonania lopatki kierujace w miejscu utwierdzenia sa zaopatrzone w czesc obrotowa, która za pomoca czopa obrotowego jest lozyskowana w uchwycie turbiny. Czop obrotowy jest przy tym szczególnie uruchamiany przez ramie wychylne prowadzone w sterujacym plaszczu. Korzystne jest przy tym wykonaniu, ze wiadomosci na powyzszy temat przyjmowane sa z budowy turbosprezarek, szczególnie sprezarek osiowych, w których regulowanie dokonuje sie przestawianiem lopatek, co pozwala unikac przeprowadzania nowych badan.

Szczególnie jest korzystne w celu optymalnego podzielenia spadków nachylen kaskady profili lopatek na kilka nastepujacych po sobie stopni turbiny sa one zaopatrzone w obrotowe lopatki kierujace, ze wspólnym osiowo przesuwnym plaszczem sterujacym, przy czym lopatki kierujace poszczególnej kaskady profilu kierujace¬ go sa zaopatrzone w ramiona wychylne o róznej dlugosci.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia czesc schematu sterowania cieplem turbiny parowej, fig. 2 — czesciowy przekrój wzdluzny turbiny parowej, fig. 3 — czesciowy przekrój poprzeczny turbiny wedlug linii A—A na fig. 2, a fig. 4 — wycinek planu lopatko¬ wego w rozwinieciu przekroju wedlug fig. 2.

Na schemacie fig. 1 nie przedstawione sa napedy pomocnicze i urzadzenia jak np. pompy, organy regulujace i zamykajace, upusty pary do uzywanych podgrzewaczy regeneracyjnych wody zasilajace itd., które dla zrozumie¬ nia istoty wynalazku nie sa konieczne.

Kierunki przeplywu rozmaitych czynników jak: para, woda zimna i goraca jest oznaczony kazdorazowo strzalkami.

Schematycznie sa przedstawione: elementy sekcji turbiny parowej jak: jednostrumieniowy wysoko i srednio cisnieniowy stopien 1 turbiny z przewodem dolotowym 2 swiezej pary, przewód niskiego cisnienia pary 4 prowa¬ dzacy do dwustrumieniowego niskocisnieniowego stopnia 3, pradnica turbinowa 5. Przewody pary odloto¬ wej 6, 6', prowadza do ukladu kondensacyjnego, w tym przypadku do skraplaczy kondensacyjnych 7, 7\ przez które szeregowo przeplywa poprzez przewód doprowadzajacy 8, przewód laczacy 41 i przewód odprowadza¬ jacy 9, zimna woda.

Przez przewód 44 doprowadza sie kondensat do nieprzedstawionego ukladu podgrzewania wstepnego. To szczególne wlaczanie skraplaczy kondensacyjnych, które przy pobieraniu ciepla ma pewne znaczenie, jest dalej szczególowo rozpatrzone z uwagi na istniejace wymagania, wedlug których zimna woda nie moze byc pobierana z ukladu w nieograniczonej ilosci. Takie wymagania stawiane producentom turbin oznaczaja, ze zimna woda musi byc powtórnie oziebiana np. spadajac z wiezy chlodniczej i czesciowo odparowujac lub przez dzialanie pradu zimnego powietrza oplywajacego zamkniety uklad przewodów w suchej wiezy chlodniczej.

Aby nie podnosic kosztów wiez chlodniczych nalezy zmniejszyc natezenie przeplywu wody i mocniej ogrzewac wode. Pogarsza to jednak warunki prózni turbiny i zmniejsza jej sprawnosc. Jesli teraz dwa skraplacze kondensacyjne beda polaczone jeden za drugim po stronie odwodnionej, wówczas przynajmniej jeden z nich powoduje powstanie lepszych warunków prózniowych i zmniejsza powstale straty.

Do systemu elektrocieplnego naleza: przewód doplywowy 10, przewód powrotny 11 i trzy wymiennika ciepla 12, 13, 14, przez które za pomoca pompy 40 tloczy sie wode sluzaca jako nosnik ciepla.

W wymiennikach, w tym przypadku w wymiennikach powierzchniowych, para pobierana z turbiny oddaje104666 3 cieplo nosnikowi ciepla przez skraplacz kondensacyjny i w ten sposób ogrzewa wode do potrzebnej temperatury przeplywu. Nagromadzony kondensat w wymiennikach 14, 13 zostaje kazdorazowo doprowadzony do wymien¬ nika 13 wzglednie 12. Calkowita ilosc kondensatu nagromadzona w tych wymiennikach odpowiada najnizszej temperaturze stosowanej w procesie i poprzez przewód 47 zostaje doprowadzona do skraplacza kondensacyjne¬ go 7 i w nim wymieszana z glównym przeplywem.

Przez przewód 15 i zasuwe 16 para odlotowa z niskocisnieniowego stopnia 3 turbiny pogarszajacego próznie ogrzewa wymiennik 12.

Ustalono wprawdzie uprzednio, ze temperatura pary jest wyzsza niz temperatura wody przewodu po¬ wrotnego 11, co ma miejsce szczególnie wiecie, gdzie woda zimna jest stosunkowo ciepla, natomiast przewód powrotny liz sieci ogrzewczej z powodu obnizania temperatury doplywu jest stosunkowo zimny.

W zimie natomiast temperatura wody goracej w przewodzie powrotnym 11 jest cieplejsza niz temperatura pary odlotowej w przewodzie 15, dlatego tez w tej porze roku zasuwa 11 jest zamknieta.

Wymienniki ciepla 13, 14 sa przez przewody 18 i 17 ogrzewane przez miedzystopniowy upust pary wyso¬ ko i srednio cisnieniowy stopien 1 turbiny. Z powodu niskiej temperatury odplywu stosowanie w lecie wymienni¬ ka 14 zasilanego ciepla para jest niekonieczne, dlatego tez przewód 17 jest zamkniety zasuwa 19.

Z powyzszego wynika, ze nie poszukuje sie, przy przedstawionym daleko uproszczonym ukladzie róznych mozliwosci polaczenia, ale wprost przeciwnie mozliwosci regulacji zmiennosci zapotrzebowania ciepla, dziennego i rocznego, przy zachowaniu maksymalnej sprawnosci. Rzeczywista oszczednosc w sieci elektrycznej wymaga wspóldzialania turbiny cieplowniczej z odmiennymi wytwarzajacymi prad turbinami kondensacyjnymi. Ponie¬ waz najtanszym sposobem jest wytwarzanie pradu za pomoca turbin cieplowniczych, dazy sie do ich wykorzysta¬ nia do czesciowego pokrycia obciazen, to znaczy z ich zasilaniem calkowita iloscia swiezej pary.

Oczywiscie turbiny tak sie rozstawia, aby przy okresowym ciaglym zuzyciu ciepla w sieci ogrzewczej moglyby racjonalnie pracowac, np. bez niepotrzebnego dlawienia przeplywajacej pary.

Wartosci rózniace sie od wartosci najczestszego zuzycia ciepla, szczególnie krancowe, jakie spotyka sie podczas bardzo zimnych lub bardzo goracych okresów rocznych, zmuszaja wytwórców turbin do rozwiazan, w których nie jest wykorzystana pelna zdolnosc robocza pary.

Na schemacie fig. 1 przedstawiono linia przerywana ponad wysokiego i sredniego cisnienia stopien 1, ele¬ menty znane z poprzednich rozwiazan.

Calkowita ilosc pary pobierana przewodami 20 wzglednie 23 ze stopnia 1 turbiny, w danym przypadku potrzebna ilosc pobierana przez przewody 17a wzglednie 18a kazdorazowo jest doprowadzana do wymienników ciepla 14, 13, podczas gdy pozostajacy glówny przeplyw pary zostaje zdlawiony przez organ dlawiacy 21 wzglednie 24 i przez przewód 22 wzglednie 25 z powrotem zawrócony do stopnia 1 turbiny. Przerywane linie rozdzielcze 42 i 43 wskazuja, ze w miejscach poboru pary turbina jest przerwana. Organy dlawiace 21 wzgled¬ nie 24 pozwalaja na utrzymywanie zadanego cisnienia w miejscach pobierania pary lub nawet jego zwiekszania, wprawdzie ze znacznymi stratami energii.

Figura 2 przedstawia w uproszczeniu rozwiazanie, które pozwala na rezygnacje z elementów 20 do 25, jak równiez nie przedstawionych dokladniej srodków 42 i 43 wykonanych dla calego przeplywu pary i dlatego kosztownych.

Wysokosc cisnienia potrzebna do oddawania ciepla do sieci ogrzewczej w miejscu pobierania pary jest regulowana przez dajace sie obracac lopatki kierujace 26 ustawione w kierunku przeplywu do miejsca pobiera¬ nia. W danym przypadku miejsce pobierania wypada w kanale pierscieniowym 27, w którym pobierana para zbiera sie i wplywa do przewodów 17 wzglednie 18 (fig. 1). Polozenie lopatki kierujacej 26 w uchwycie 30 jest ustalone przez czesc obrotowa 31 i czop obrotowy 32. Rozmieszczenie. uchwytu 30 w obudowie 38 turbiny, ulozyskowanie lopatki kierujacej 28 w wale 29 turbiny jest przedstawione schematycznie.

Do konca czopa obrotowego 32 wystajacego z uchwytu 30 dotykaja lapy ramienia wychylnego 33, które razem ze sworzniem 34 i rolka 35 wystaja z rowka pierscieniowego 36 sterujacego plaszcza 37. Do przestawiania obrotowego lopatki kierujacej 26 sluzy nieskomplikowany, osiowo przestawialny sterujacy plaszcz 37, którego sterowanie ze wzgledu na przejrzystosc nie zostalo dokladnie przedstawione.

Szczególnie jest korzystne rozmieszczenie, w którym na plaszczu jest szereg nachylonych kaskad za¬ opatrzonych w obrotowe lopatki kierujace poniewaz przez przesuniecia nachylonych kaskad zgodnie z zadana regulacja okreslonego cisnienia pary na wylocie, uzyskuje sie szereg stopni. Takipodzial pozwala wlasciwym stopniom na prace bardzo nieznacznie obnizona sprawnoscia. Jeszcze dokladniejszy podzial nachylonych kaskad sprawia, ze przy jednoczesnym uruchamianiu odpowiednich rzedów lopatek kierujacych uzyskuje sie rózne katy ich skrecenia.

Niekiedy celowym jest aby te rzedy kierujace byly zaopatrzone w ramiona wychylne 33 o róznej dlugosci4 104666 (nie przedstawione).

Na figurze 3 wystepuja te same czesci jak na figurze 2. Wyraznie widac prosta konstrukcje ramiona wychylnego33 sluzacego do zamiany ruchu prostoliniowego sterujacego plaszcza 37 na ruch obrotowy ramie¬ nia 33, a zarazem i lopatki kierujacej 26.

Sterujacy plaszcz 37, który moze sie skladac z wielu odcinków, stanowi prosta nieskomplikowana czesc obrotowa, wytwarzana tak jak i wpusty 36 na plaszczu 37 za pomoca prostych operacji.

Figura 4 przedstawia plan lopatki, na którym lopatki kierujace przestawiane plaszczem 37 sa oznaczo¬ ne 26, a lopatki w wale 29 jako 28. Normalne zamocowanie stopy lopatki kierujacej 26 zostalo zastapione przez czesc obrotowa 31, która jest na wale 29 umieszczona przestawnie obrotowo.

Oznaczniki A, B, C wskazuja trzy typowe polozenia konców lopatki kierujacej 26. Polozenie B odpowiada mniej wiecej srodkowemu stosunkowi przeplywu w turbinie, to znaczy takiemu wedlug, którego stopnie sa optymalne przy srednich ilosciach poboru pary. Jezeli lopatki kierujace 26 obracaja sie w kierunku polozenia A wówczas zmniejsza sie przekrój przeplywu w kaskadzie kierujacej, przy czym cisnienie w miejscu pobierania, zgodnym z kierunkiem przeplywu z kaskady kierujacej zostaje podwyzszone. To wywoluje naturalnie pod¬ wyzszenie ilosci pobierania pary. Przy tym przebieg glównego przeplywu pozostaje w turbinie niedlawiony, nie powodujac tym samym zadnych strat, jak jest w przypadku zastosowania znanych organów dlawiacych.

Obnizenie cisnienia w kaskadzie kierujacej powoduje, ze przez mniejszy przekrój przeplywu, miedzy dwo¬ ma sasiednimi lopatkami kierujacymi uzyskuje sie silne przyspieszenie przeplywu, a bardzo ostry kat odplywu powoduje, ze styczna skladowa odnosnie wzglednej predkosci doplywu do kaskady kierujacej powieksza sie.

Poniewaz praca odbywa sie przy niezmienionej wartosci odplywu (kat, wzgledna predkosc), powieksza sie styczna zmiennej predkosci przeplywu przy przeplywie przez kaskade kierujaca.

Wedlug równania Eulera podwyzsza to prace na jednostke ilosci w stosunku do strat przeplywu.

Jezeli do sieci grzewczej zostanie oddana mniejsza ilosc ciepla wówczas zmniejsza sie ilosc pobierania przez obrócenie sie lopatki kierujacej 26 w kierunku polozenia C. Stosownie do tego odbierana jest tylko potrzebna ilosc pary, co pozwala na wykorzystanie pelnej wydajnosci, nie tylko pobieranego przeplywu lecz takze i glów¬ nego przeplywu pozostajacego w turbinie.

W przeciwienstwie do tego sposobu, ilosc pobierana pary drugim sposobem ulega obciazeniu strata regulacji dlawienia.

Zwiazek jaki zachodzi pomiedzy przestawianym polozeniem lopatki i zadanym zapotrzebowaniem na cieplo i energie elektryczna przedstawiono w ponizszej tabeli. Jest oczywiste, ze nie podano wartosci abso¬ lutnych wynikajacych z tego wynalazku, ze wzgledu na ich zaleznosc od zbyt licznych parametrów. Jednakze w celu przekazania idei wynalazku na podstawie wartosci zadanych wychylen lopatek kierujacych, przeliczono jeden przyklad wedlug lopatek kierujacych i odpowiednich danych wlotu i wylotu.

Na podstawie atmosferycznej temperatury 25°C, 10°C i-5°C ustalono, ze odpowiada ona niskiemu, sredniemu i wysokiemu zapotrzebowaniu na cieplo.

Dane dotyczace wydajnosci wytwarzanej elektrycznosci „maksymalna" i „zredukowana" odnosza sie do „pelnego obciazenia" wzglednie „czesciowego obciazenia" pracy ukladu turbiny.

W tabeli podano wartosci liczbowe, odnoszace sie do najwezszej szerokosci kanalu a (przedstawionego tylko na fig. 4). Przyjeto, ze szerokosc kanalu przy srodkowym polozeniu B lopatki kierujacej równa sie wartosci a = 100%.

Tabela Wytwarzanie energii elektrycznej Maksymalne Zredukowane Szerokosc kanalu przy zapotrzebowaniu ciepla niskim 150% 90% srednim 100% 60% wysokim 40% .30% Najwyzszej wartosci 150% i najnizszej wartosci 30% odpowiednio odpowiadaja koncowe polozenia A wzglednie C. Z tego koncowego polozenia lopatki kierujacej 26 i z powyzszych rozwazan ilosciowych jest oczy¬ wiste, ze styczna skladowa predkosci doplywu do calej kaskady profili kierujacych moze zmieniac sie. Dlatego,104666 5 tak ksztaltuje sie krawedzie wlotu lopatek, ze moga one przeksztalcac kierunki przeplywu mozliwie bez strat, Ta mozliwosc jest dopuszczona na przyklad przez odpowiednie zaokraglenie czesci wejsciowej lopatek kieru¬ jacych.

Claims (5)

Zastrzezenia patentowe

1. Regulowana turbina do elektrocieplowni dla kombinowanego wytwarzania energii elektrycznej i ciepl¬ nej, z której zostaje pobierany, czesciowo odprezony czynnik roboczy, który swoje cieplo oddaje w co najmniej jednym wymienniku ciepla, ze srodkiem ogrzewanym przewaznie woda, znamienna tym, ze bezposrednio blisko miejsca pobierania czynnika roboczego, co najmniej jeden stopien turbiny skladajacy sie z kaskady profili kierujacych i wirujacych jest zaopatrzony w obrotowe lopatki kierujace (26).

2. Regulowana turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze pierwsza kaskada profili lopatki z obrotowymi lopatkami kierujacymi jest umieszczona w kierunku przeplywu, za miejscem pobierania.

3. Regulowana turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze lopatki kierujace(26) sa zaopatrzone w miejscu ich utwierdzenia w czesc obrotowa (31) która za pomoca czopa obrotowego (32) jest lozyskowana w uchwycie (30) turbiny, i ze czop obrotowy (32) jest obrotowy prowadzony ramieniem wychylnym (33) w ste¬ rujacym plaszczu (37).

4. Regulowana turbina wedlug zastrz. 1, z n a m i e n n a t y m, ze obrotowe lopatki kierujace (26) kilku stopni turbiny sa przestawiane przez wspólny, osiowo ruchomy sterujacy plaszcz (37).

5. Regulowana turbina wedlug zastrz. 1,znamienna tym, ze w celu optymalnego podzialu spadków nachylen kaskady profili, na kilka nastepujacych po sobie stopni turbiny zaopatrzonych w obrotowe lopatki kierujace (26), posiadaja one ramiona wychylne (33) o róznej dlugosci.