PL218434B1 - Hermetyczny turbogenerator parowy, elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym oraz sposób chłodzenia hermetycznego turbogeneratora parowego - Google Patents

Abstract

Hermetyczny turbogenerator parowy, stosowany w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym, pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, charakteryzuje się tym, że czynnikiem chłodzącym generator elektryczny (3), umieszczony wraz z turbiną parową (2) wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu (4), jest rozprężona w turbinie parowej (2) para czynnika roboczego (1), przy czym wlot (10) sprężonej pary czynnika roboczego (1) umiejscowiony jest w korpusie (4) przed turbiną parową (2), a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego (1) umiejscowiony jest w korpusie (4) za generatorem elektrycznym (3), od którego rozprężona para czynnika roboczego (1) odbiera ciepło. Przedmiotem wynalazku jest również elektrownia parowa, gdzie czynnikiem chłodzącym generator elektryczny (3) turbogeneratora, umieszczony wraz z turbiną parową (2) wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu (4), jest rozprężona para czynnika roboczego (1). Sposób chłodzenia polega na tym, że jako czynnik chłodzący generator elektryczny (3) stosuje się rozprężoną parę czynnika roboczego (1). Najpierw czynnik roboczy (1) w stanie pary o odpowiednio wysokim ciśnieniu kieruje się wlotem (10) w szczelnym korpusie (4) na turbinę parową (2), w której następuje rozprężenie czynnika roboczego (1). Następnie rozprężoną parę czynnika roboczego (1) kieruje się na generator elektryczny (3), gdzie płynąca rozprężona para czynnika roboczego (1) pełni funkcję czynnika chłodzącego. Po czym czynnik roboczy (1) kieruje się na zewnątrz wylotem (11) w korpusie (4).

Description

PAWEŁ HANAUSEK, Łódź, PL ALEKSANDRA BORSUKIEWICZ-GOZDUR, Warzymice, PL

PL 218 434 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest hermetyczny turbogenerator parowy do zastosowania w obiegach cieplnych elektrowni, w których jako czynniki obiegowe stosuje się czynniki robocze inne niż woda oraz elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym i sposób chłodzenia hermetycznego turbogeneratora parowego.

Klasyczny turbogenerator stosowany w obiegach cieplnych elektrowni, w których czynnikiem obiegowym jest woda składa się z dwóch osobnych elementów: turbiny parowej oraz generatora prądu elektrycznego. Turbina parowa składa się z korpusu turbiny i umieszczonego w nim wirnika turbiny, natomiast generator składa się z korpusu generatora wraz ze stojanem i umieszczonym w nim wirniku generatora. Przeniesienie napędu z korpusu turbiny do korpusu generatora odbywa się za pomocą połączonych sprzęgłem obrotowych wałów wirników turbiny i generatora. Wychodzący z korpusu turbiny obrotowy wał musi posiadać system uszczelnień dla zabezpieczenia przed wyciekiem pary na zewnątrz korpusu turbiny. Znane systemy uszczelnień zazwyczaj pozwalają na minimalny wyciek pary czynnika roboczego do otoczenia, co w przypadku pary wodnej nie jest istotnym problemem. Innym wariantem uszczelnia jest tzw. uszczelnienie absolutne, polegające na doprowadzeniu w miejscu uszczelnienia innego czynnika (tzw. gazu zaporowego) o nieznacznie wyższym ciśnieniu, który blokuje wypływ czynnika roboczego, jednak taki czynnik zaporowy przedostaje się do wnętrza turbiny. W przypadku klasycznych obiegów z parą wodną opracowano techniki usuwania gazu zaporowego z obiegu czynnika roboczego. Z opisu zgłoszenia patentowego EP1707752 A1 znany jest turbogenerator zawierający turbinę gazową i generator połączone ze sobą bez pośrednictwa reduktora obrotów oraz wspólne urządzenie chłodzące dla nich, na przykład powietrzne urządzenie chłodzące. Z międzynarodowej publikacji WO 2007050097 znana jest zawierająca turbogeneratory instalacja do generowania prądu wykorzystująca ciepło spalin z siłowni statku morskiego.

W przypadku siłowni parowych, gdzie czynnikiem obiegowym jest czynnik roboczy inny niż woda, tzw. czynnik niskowrzący (najczęściej organiczny), zastosowanie takich systemów uszczelnień jest niewskazane, ponieważ przeciek pary czynnika organicznego do otoczenia powoduje utratę kosztownego czynnika i skomplikowany proces jego uzupełniania w obiegu, a ponadto takie substancje dość często charakteryzują się właściwościami toksycznymi lub palnymi. Zastosowanie tzw. gazu zaporowego, jest również niewskazane, gdyż bardzo trudno usunąć go z obiegu czynnika roboczego. Mieszanie się gazu zaporowego z czynnikiem roboczym może powodować zmianę jego właściwości termodynamicznych, a te z kolei mogą pogarszać efektywność pracy siłowni.

Z przedstawionych względów, w obiegach cieplnych elektrowni pracujących na czynnikach innych niż woda, poszukiwane są rozwiązania zapewniające absolutną szczelność (hermetyczność) turbogeneratora. W znanych z opisów wynalazków US 4362020 i Fi 66234 turbogeneratorach hermetycznych o osi pionowej umieszczono we wspólnym korpusie zarówno turbinę i generator, jak również pompę obiegową kondensatu czynnika roboczego. W tych rozwiązaniach konieczne jest zastosowanie pionowej osi turbogeneratora, gdyż smarowanie łożysk i chłodzenie generatora odbywa się za pomocą fazy ciekłej czynnika obiegowego, płynącego wewnątrz wąskich kanałów pod wpływem sił grawitacji. Równocześnie w rozwiązaniach tych stosuje się turbinę promieniowo-osiową o wypływie pary w kierunku przeciwnym do położenia generatora.

Hermetyczny turbogenerator parowy, według wynalazku, stosowany w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym pracującym na nisko wrzącym czynniku roboczym, zawierający turbinę parową i bezpośrednio przez nią napędzany generator elektryczny, charakteryzuje się tym, że wnętrze korpusu hermetycznego turbogeneratora stanowi za turbiną parową kanał przepływowy dla rozprężonej w turbinie pary czynnika roboczego. Korpus ma wlot sprężonej pary czynnika roboczego przed turbiną parową. Wylot rozprężonej pary czynnika roboczego za generatorem elektrycznym tak umiejscowiony, że zapewnia opływ generatora elektrycznego tą rozprężoną parą. Taka konstrukcja hermetycznego turbogeneratora zapewnia, że czynnikiem chłodzącym generator elektryczny, umieszczony wraz z turbiną parową wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu, jest rozprężona w turbinie parowej para czynnika roboczego. Rozprężona para czynnika roboczego omywając generator elektryczny chłodzi go odbierając od niego ciepło. Obrotowy wał wirnika znajdujący się w stojanie generatora elektrycznego jest jednocześnie wałem wirnika turbiny parowej. Generator elektryczny z odkrytym stojanem, pracuje bez obudowy i wtedy chłodzony jest stój an i wirnik generatora elektrycznego przez omywającą je parę czynnika roboczego. Generator elektryczny może być umieszczony w wewnętrznym korpusie i wtedy rozprężony czynnik roboczy omywa go zewnętrznie i jako czynnik chłodzący ochładza go.

PL 218 434 B1

Elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym, według wynalazku zawiera jako generator pary co najmniej jeden wymiennik ciepła, pompę obiegową, i ma obieg cieplny pracujący na niskowrzącym czynniku roboczym. Istotą rozwiązania jest to, że wnętrze korpusu hermetycznego turbogeneratora stanowi za turbiną parową kanał przepływowy dla rozprężonej w turbinie pary czynnika roboczego. Korpus ma wlot sprężonej pary czynnika roboczego przed turbiną parową a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego za generatorem elektrycznym tak umiejscowiony, że zapewnia opływ generatora elektrycznego tą rozprężoną parą. Taka konstrukcja hermetycznego turbogeneratora pozwala na zastosowanie rozprężonej pary czynnika roboczego jako czynnika chłodzącego generator elektryczny. Generator wraz z turbiną parową umieszczony jest wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu. Rozprężona para czynnika roboczego omywając generator elektryczny chłodzi go odbierając od niego ciepło. Obrotowy wał wirnika znajdujący się w stojanie generatora elektrycznego jest jednocześnie wałem wirnika turbiny parowej. Generator elektryczny z odkrytym stojanem, pracuje bez obudowy i wtedy chłodzi się jest stojan i wirnik generatora elektrycznego przez omywająca je parę czynnika roboczego. Generator elektryczny może być umieszczony w wewnętrznym korpusie i wtedy rozprężony czynnik roboczy omywa go zewnętrznie i jako czynnik chłodzący ochładza go.

Sposób chłodzenia hermetycznego turbogeneratora parowego, według wynalazku, który stosuje się w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, gdzie czynnikiem chłodzącym jest czynnik roboczy, charakteryzuje się tym, że jako czynnik chłodzący turbogenerator stosuje się rozprężoną parę czynnika roboczego. Najpierw czynnik roboczy w stanie pary o odpowiednio wysokim ciśnieniu kieruje się wlotem w szczelnym korpusie na turbinę parową w której następuje rozprężenie czynnika roboczego. Następnie rozprężoną parę czynnika roboczego kieruje się na generator elektryczny, gdzie płynąca rozprężona para czynnika roboczego pełni funkcję czynnika chłodzącego. Czynnik chłodzący odbiera ciepło od generatora elektrycznego. Po omyciu generatora elektrycznego czynnik roboczy kieruje się na zewnątrz wylotem w korpusie. Jeżeli generator elektryczny nie posiada korpusu wewnętrznego tzw. generator z odkrytym stojanem, to rozprężoną parę czynnika roboczego kieruje się tak, że omywa ona stojan i wirnik generatora elektrycznego odbierając od nich ciepło. Natomiast jeżeli generator elektryczny posiada korpus wewnętrzny to kieruje się rozprężoną parę czynnika roboczego na niego, tak że go omywa i chłodzi.

Zaletą turbogeneratora według wynalazku jest to, że czynnik roboczy w postaci pary wylotowej (pary rozprężonej) z turbiny parowej chłodzi generator elektryczny, co pozwala na pominięcie w konstrukcji turbogeneratora dodatkowego układu chłodzenia (zewnętrzne źródło). Proponowana konstrukcja turbogeneratora pozwala na uniknięcie tracenia energii w postaci ciepła (3% do 7% energii z turbiny w znanych rozwiązaniach zamienia się w ciepło, pozostałe 97% do 93% przekształca się w prąd), ponieważ czynnik roboczy chłodząc generator podgrzewa się przez odbieranie ciepła, a energia z chłodzenia generatora pozostaje w obiegu cieplnym co wpływa na zmniejszenie strat cieplnych obiegu. Rozwiązanie według wynalazku nie wprowadza do wnętrza korpusu, stosowanej we wcześniejszych rozwiązaniach, pompy obiegowej czynnika roboczego (kondensatu) co powoduje, że turbogenerator według wynalazku posiada prostą konstrukcję, która zapewnia obecność w korpusie tylko jednej fazy czynnika obiegowego, tj. fazy gazowej. Najczęściej stosowane obiegi cieplne wykorzystujące czynniki nisko wrzące pracują na parze nasyconej lub tylko lekko przegrzanej, wobec tego ważną cechą konstrukcji turbogeneratora winno być, aby w jego wewnętrznych kanałach przepływowych nie następowały- wskutek możliwych zmian ciśnienia i temperatury- niekontrolowane przemiany fazowe czynnika obiegowego. Proponowana konstrukcja wyeliminowała konieczność prowadzenie w jednym korpusie zarówno kanałów z czynnikiem o wysokiej temperaturze (w stanie pary) jak i kanałów z czynnikiem o niskiej temperaturze (skondensowanym), co prowadziło również do powstawania naprężeń termicznych i problemów z wewnętrznym uszczelnieniem między tymi kanałami. Przepływ czynnika roboczego- chłodzącego nie jest wymuszany siłą grawitacji, dlatego rozwiązanie według wynalazku może być stosowane zarówno w turbogeneratorach o osi poziomej jak i pionowej, co dotychczas nie było możliwe. Dodatkowo rozprężony czynnik roboczy może służyć jako smar dla łożysk wewnątrz turbogeneratora.

Przedmiot wynalazku bliżej przedstawiony jest w poniższych przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia hermetyczny turbogenerator z generatorem elektrycznym z odkrytym stojanem, fig. 2 przedstawia hermetyczny turbogenerator generatorem elektrycznym z wewnętrznym korpusem, fig. 3 elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem.

PL 218 434 B1

P r z y k ł a d 1

Elektrownia parowa pracuje na niskowrzącym czynniku roboczym 1. Elektrownia wyposażona jest w turbogenerator parowy, który zawiera turbinę parową 2 i generator elektryczny 3, które są umieszczone wewnątrz wspólnego szczelnego korpusu 4. Wał 5 wirnika 6 znajdującego się w stojanie 7 generatora elektrycznego 3 jest jednocześnie wałem wirnika 8 turbiny parowej 2. Turbogenerator wyposażony jest w generator elektryczny 3 z odkrytym stojanem 7, pracujący bez obudowy. Sprężoną parę czynnika roboczego 1 kieruje się z generatora pary 9 do wnętrza korpusu 4 turbogeneratora parowego wlotem 10. W korpusie 4 sprężona para czynnika roboczego 1 skierowana na turbinę parową 2 przekazuje energię wirnikowi 8 turbiny parowej. Prąd elektryczny w uzwojeniach stojana 7 generatora elektrycznego wytwarza się poprzez wprawienie w ruch obrotowy wirnika 6 generatora elektrycznego, któremu moment obrotowy nadaje wirnik 8 turbiny parowej napędzany przez energię przekazywana przez rozprężający się czynnik roboczy 1. Następnie schłodzoną i rozprężoną parę czynnika roboczego 1 kieruje się na stojan 7 i wirnik 6 generatora elektrycznego. Rozprężona para czynnika roboczego 1 działająca jako czynnik chłodzący odbiera ciepło od generatora elektrycznego 3. Po czym rozprężoną parę czynnika roboczego kieruje się wylotem 11 na zewnątrz korpusu 4 i dalej na skraplacz 12. Skroplona para czynnika roboczego 1 za pośrednictwem pompy obiegowej 14 kieruje się do wymiennika ciepła 9.

P r z y k ł a d 2

Hermetyczny turbogenerator parowy wykonany analogicznie jak w przykładzie 1, przy czym generator elektryczny 3 wyposażony jest w wewnętrzny korpus 14. Rozprężona parę czynnika roboczego 1, po przejściu przez turbinę parową 2 kieruje się na wewnętrzny korpus 13 generatora. W wyniku zamknięcia generatora elektrycznego wewnątrz korpusu 13 przepływająca schłodzona i rozprężona para czynnika roboczego 1 nie ma kontaktu ze stojanem 7 i wirnikiem 6. Schładza się generator elektryczny 3 omywającą go parą czynnika roboczego 1, działającą jako czynnik chłodzący.

Claims (9)

1. Hermetyczny turbogenerator parowy, stosowany w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, zawierający turbinę parową i bezpośrednio przez nią napędzany generator elektryczny, znamienny tym, że wnętrze korpusu (4) hermetycznego turbogeneratora stanowi za turbiną parową (2) kanał przepływowy dla rozprężonej w turbinie pary czynnika roboczego (1), przy czym korpus ma wlot (10) sprężonej pary czynnika roboczego (1) przed turbiną parową (2), a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego (1) za generatorem elektrycznym (3) tak umiejscowiony, że zapewnia opływ generatora elektrycznego tą rozprężoną parą.

2. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy wał (5) wirnika (6) znajdujący się w stojanie (7) generatora elektrycznego jest jednocześnie wałem wirnika (8) turbiny parowej.

3. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że generator elektryczny (3) umieszczony jest w wewnętrznym korpusie (13).

4. Elektrownia parowa z hermetycznym turbogeneratorem parowym, z generatorem pary, pompą obiegową z obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, znamienna tym, że wnętrze korpusu (4) hermetycznego turbogeneratora stanowi za turbiną parową (2) kanał przepływowy dla rozprężonej w turbinie pary czynnika roboczego (1), przy czym korpus ma wlot (10) sprężonej pary czynnika roboczego (1) przed turbiną parową (2), a wylot rozprężonej pary czynnika roboczego (1) za generatorem elektrycznym (3) tak umiejscowiony, że zapewnia opływ generatora elektrycznego tą rozprężoną parą.

5. Elektrownia według zastrz. 4, znamienna tym, że obrotowy wał (5) wirnika (6) znajdujący się w stojanie (7) generatora elektrycznego jest jednocześnie wałem wirnika (8) turbiny parowej.

6. Elektrownia według zastrz. 4, znamienna tym, że generator elektryczny (3) umieszczony jest w wewnętrznym korpusie (13).

7. Sposób chłodzenia hermetycznego turbogeneratora parowego, stosowanego w elektrowniach parowych z obiegiem cieplnym pracującym na niskowrzącym czynniku roboczym, gdzie czynnikiem chłodzącym jest czynnik roboczy, znamienny tym, że jako czynnik chłodzący generator elektryczny (3) stosuje się rozprężoną parę czynnika roboczego (1), przy czym najpierw czynnik roboczy (1) w stanie pary o odpowiednio wysokim ciśnieniu kieruje się wlotem (10) w szczelnym korpusie (4) na turbinę parową (2), w której następuje rozprężenie czynnika roboczego (1), a następnie

PL 218 434 B1 rozprężoną parę czynnika roboczego (1) kieruje się na generator elektryczny (3), gdzie płynąca rozprężona para czynnika roboczego (1) pełni funkcję czynnika chłodzącego, odbierając ciepło od generatora elektrycznego (3), po czym czynnik roboczy (1) kieruje się na zewnątrz wylotem (11) w korpusie (4).

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że kieruje się rozprężoną parę czynnika roboczego (1) tak, że omywa ona stojan (7) i wirnik (6) generatora elektrycznego.

9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że kieruje się rozprężoną parę czynnika roboczego (1) na wewnętrzny korpus generatora elektrycznego (13).