RU2179247C2

RU2179247C2 - Self-contained electric steam generator

Info

Publication number: RU2179247C2
Application number: RU2000103843A
Authority: RU
Inventors: С.Б. Клюев
Original assignee: Клюев Сергей Борисович
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2002-02-10

Abstract

FIELD: power engineering; production of electric energy by power steam plants. SUBSTANCE: proposed self-contained electric steam generator consists of steam generator, turbine, condenser and pump. Steam generator is made as universal combination unit. Turbine consists of condensing (hollow) and reactive parts. Each part turns independently around common torque axis. Steam from turbine gets into condenser through diffusers and expander. Invention employs Carnot thermodynamic cycle combined with Rankine cycle for operation. EFFECT: improved reliability in service, facilitated repair and replacement of parts. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области производства электроэнергии паросиловыми установками, где в качестве головного звена используется паровая турбина. Может найти применение в стационарных условиях. The invention relates to the field of power generation by steam-powered plants, where a steam turbine is used as the head link. May find application in stationary conditions.

Известны технические решения, содержащие паровую турбину, - ТЭС, ТЭЦ. Known technical solutions containing a steam turbine - TPP, TPP.

Недостатками известного являются обязательное наличие водоема, громоздкость оборудования, большая масса затрачиваемого металла, наличие комплекса базовых сооружений и узлов, связанных между собой протяженной магистралью, приводящей к неизбежным тепловым потерям и снижению общего КПД. Эти обстоятельства не позволяют использовать паровую турбину в качестве универсального, стационарного источника для производства электроэнергии. The disadvantages of the known are the obligatory presence of a reservoir, the bulkiness of the equipment, the large mass of metal expended, the presence of a complex of basic structures and nodes interconnected by an extended highway, leading to inevitable heat losses and a decrease in overall efficiency. These circumstances do not allow the use of a steam turbine as a universal, stationary source for electricity production.

Известен автономный электропарогенератор, состоящий из парогенератора, турбины, конденсатора и насоса (см. а. с. SU 1377419 A1, F 01 K 11/04, 29.02.88). Недостатками данного устройства являются громоздкость оборудования, большая масса затрачиваемого металла, низкий КПД. A self-contained electric steam generator consisting of a steam generator, a turbine, a condenser and a pump is known (see a.s. SU 1377419 A1, F 01 K 11/04, 02.29.88). The disadvantages of this device are the bulkiness of the equipment, the large mass of spent metal, low efficiency.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков и от его использования может быть получен следующий технический результат: снабжение электроэнергией потребителя в отсутствие водоема и в местах кратковременного базирования. The invention is aimed at eliminating the above disadvantages and from its use the following technical result can be obtained: supplying electricity to the consumer in the absence of a reservoir and in places of short-term basing.

Это достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве используется собственный запас воды и в замкнутом тепловом цикле используется турбина необычной конструкции, совмещенной с парогенератором в единую блочную конструкцию, позволяющую уменьшить массу и затраты металла за счет совмещения и сокращения стенок различных агрегатов, исключить звено соединительной магистрали, рационально расположить и задействовать в единой конструкции все необходимые агрегаты паротурбинного цикла. Эти обстоятельства, а также возможность парогенератора использовать любой вид топлива делают конструкцию не только универсальной, но и выгодной с экономической точки зрения. Немаловажным фактором является также бесшумность работы электропарогенератора и преимущество по мощности по сравнению с ДВС, который кроме ограничения по мощности содержит большее количество трущихся деталей. This is achieved due to the fact that the proposed device uses its own water supply and in a closed heat cycle uses a turbine of an unusual design combined with a steam generator in a single block design, which allows to reduce the mass and costs of metal by combining and reducing the walls of various units, to exclude the connecting link lines, rationally arrange and use in a single design all the necessary units of the steam turbine cycle. These circumstances, as well as the ability of the steam generator to use any type of fuel, make the design not only universal, but also profitable from an economic point of view. An important factor is the noiseless operation of the electric steam generator and the advantage in power compared to the internal combustion engine, which, in addition to the power limit, contains a greater number of rubbing parts.

На фиг. 1 изображена турбина, общий вид в разрезе, где 1 - роторная часть турбины; 2 - статорная часть турбины; 3 - воздушные лопатки; 4 - место установки силовых лопаток; 5 - опора подшипника статорной части турбины; 6 - пустотелость статорной части турбины; 7 - сопловый аппарат и поворотные лопатки; 8 - диффузоры; 9 - противопомпажный клапан; 10 - выходные пазы отработавшего пара. In FIG. 1 shows a turbine, a General view in section, where 1 is the rotor part of the turbine; 2 - the stator part of the turbine; 3 - air blades; 4 - place of installation of power blades; 5 - bearing support of the stator part of the turbine; 6 - hollow core of the stator part of the turbine; 7 - nozzle apparatus and rotary blades; 8 - diffusers; 9 - surge valve; 10 - output grooves of spent steam.

На фиг. 2 изображен парогенератор, общий вид в разрезе, где 11 - расширитель; 12 - эжектор; 13 - конденсатор; 14 - паропроизводитель; 15 - деаэратор; 16 - уравнительные емкости; 17 - питательный и масляный насосы; 18 - вытяжные лопатки расширителя; 19 - коллектор; 20 - улиточная емкость расширителя; 21 - приводной компрессор; 22 - паровой ресивер. In FIG. 2 shows a steam generator, a General view in section, where 11 is an expander; 12 - ejector; 13 - capacitor; 14 - steam producer; 15 - deaerator; 16 - equalization tanks; 17 - feed and oil pumps; 18 - exhaust blades of the expander; 19 - collector; 20 - snail capacity of the expander; 21 - drive compressor; 22 - steam receiver.

На фиг. 3 изображено устройство паросиловой части, общий вид в разрезе, где 23 - водяная емкость; 24 - камера высокого давления; 25 - камера промежуточного давления; 26 - воздушный ресивер; 27 - камера выхода сжатого воздуха; 28 - электромагнитная муфта; 29 - гидропривод; 30 - ротор генератора; 31 - статор генератора; 32 - тормозное устройство; 33 - клапан вентиляции; 34 - пусковой электродвигатель. In FIG. 3 shows the device of the steam power part, a General view in section, where 23 is the water capacity; 24 - high pressure chamber; 25 - intermediate pressure chamber; 26 - air receiver; 27 - chamber for the exit of compressed air; 28 - electromagnetic clutch; 29 - hydraulic drive; 30 - generator rotor; 31 - generator stator; 32 - brake device; 33 - ventilation valve; 34 - starting electric motor.

На фиг. 4 изображен электропарогенератор, общий вид. In FIG. 4 shows an electric steam generator, a general view.

Принцип устройства электропарогенератора следующий. The principle of the electric steam generator is as follows.

Статорная часть (конденсационная) турбины (условно) 2, устанавливается опорой 5 в пазовый подшипник водяной емкости 23, которая является фундаментом устройства. На паз статорной части турбины устанавливается роторная (реактивная) часть (условно) турбины 1. Таким образом, обе части турбин имеют собственное независимое вращение относительно фундамента. Между обечайками обеих частей турбин образуется силовое пространство 4, в которое устанавливаются рабочие лопатки и направляющий аппарат. Монтаж ведется после насадки обеих частей друг на друга, для чего предварительно фрезеруются пазы в корпусе обеих частей турбин. The stator part (condensation) of the turbine (conditionally) 2, is installed by the support 5 in the groove bearing of the water tank 23, which is the foundation of the device. A rotor (reactive) part of the (conditionally) turbine 1 is installed in the groove of the stator part of the turbine. Thus, both parts of the turbines have their own independent rotation relative to the foundation. Between the shells of both parts of the turbines, a force space 4 is formed in which the working blades and the guide apparatus are installed. Installation is carried out after the nozzle of both parts on top of each other, for which the grooves in the housing of both parts of the turbines are pre-milled.

Пар в силовую часть турбины поступает из неподвижного коллектора 19 через сопловый аппарат 7. Сопловый аппарат вместе с поворотными лопатками, расположенными в днище статорной части турбины, представляет собой предварительную ступень и служит для плавного изменения направления пара и устранения вибрации. Противопомпажный клапан 9 защищает турбину от перегрузок и необходим для запуска турбины, где он играет роль дроссельного аппарата и регулятора давления. Отработавший пар из силовой части турбины выходит через пазы 10 в пустотелость статорной части турбины 6, а затем через диффузоры 8 в расширитель 11. Верхнюю часть статорной части турбины центрует расширитель, а верхнюю часть роторной части турбины центрует электромуфта 28, которая жестко крепится к воздухосборнику 26, который в свою очередь закреплен с расширителем. Расширитель препятствует утечке пара из пустотелости в атмосферу. При запуске часть пара поступает в силовую часть турбины, а другая часть, дросселируясь противопомпажным клапаном, поступает в пустотелость, где смешивается с отработавшим паром и направляется через диффузоры в расширитель. Таким образом избегаются потери замкнутого теплового цикла. Кроме того, пустотелость статорной части турбины значительно уменьшает общую массу турбины, а расположенные в ней ребра жесткости уменьшают влияние центробежных сил. Steam enters the turbine power section from the fixed manifold 19 through the nozzle unit 7. The nozzle unit, together with the rotary blades located in the bottom of the turbine stator part, is a preliminary stage and serves to smoothly change the direction of the steam and eliminate vibration. Anti-surge valve 9 protects the turbine from overload and is necessary to start the turbine, where it plays the role of a throttle device and a pressure regulator. The exhaust steam from the turbine power section exits through the slots 10 into the hollow of the stator part of the turbine 6, and then through the diffusers 8 into the expander 11. The top of the stator part of the turbine is centered by the expander, and the top of the rotor part of the turbine is centered by an electric coupling 28, which is rigidly attached to the air intake 26 , which in turn is fixed with an expander. The expander prevents the escape of steam from the hollow into the atmosphere. At start-up, part of the steam enters the turbine power section, and the other part, throttled by the anti-surge valve, enters the hollow, where it is mixed with the exhaust steam and sent through diffusers to the expander. In this way, the loss of a closed thermal cycle is avoided. In addition, the hollowness of the stator part of the turbine significantly reduces the total mass of the turbine, and the stiffeners located in it reduce the influence of centrifugal forces.

Ребра жесткости (не показаны) крепятся под небольшим углом (по ходу вращения), обозначая направление пара от выходных пазов до диффузоров. В дальнейшем, пар попадает под влияние вытяжных лопаток расширителя 18. Следует заметить, независимо какая часть турбины будет вращаться, всюду пар будет проходить один и тот же путь от коллектора 19 через сопловый аппарат 7 в силовую часть 4, затем через выходные пазы 10 в диффузоры 8 и попадает под влияние вытяжных лопаток расширителя 18. Вытяжные лопатки расширителя расположены под острым углом и достаточно близко к диффузорам. Поэтому, чем быстрее вращается статорная часть турбины, тем ниже давление в ее пустотелости и больше давление за вытяжными лопатками расширителя. Следовательно, будет выгоднее, если вращаться будет статорная часть, а роторная часть будет находится неподвижной, но в этом случае могут образоваться утечки пара из коллектора, т.к. он неподвижен, поэтому в корпусе расширителя предусмотрена улиточная выпуклость 20. После вытяжных лопаток расширителя пар получает дополнительную скорость, но т.к. выхода для него нет, то и дополнительное давление. Далее он направляется в камеру высокого давления 24, объем которой незначительный по сравнению с объемом расширителя. В камере высокого давления установлен объемный пустотелый электродвигатель 21, внутренний диаметр которого насаживается на шейку цилиндра расширителя. Этот электродвигатель выполняет роль приводного компрессора. Таким образом, в начальной стадии сжатия используется принцип Карно, в дальнейшем сжатие может осуществляться по варианту, предложенному инженером Ренкиным. Т.е. конструкция позволяет совмещение обоих циклов. С камеры высокого давления часть пара поступает в камеру промежуточного давления 25, которую можно использовать для регенерации, производственных нужд и т. д. С камеры высокого давления частично сконденсированный пар поступает в конденсатор 13 и окончательно охлаждается водой из водяной емкости 23. Stiffeners (not shown) are mounted at a slight angle (in the direction of rotation), indicating the direction of the steam from the outlet grooves to the diffusers. In the future, the steam falls under the influence of the exhaust blades of the expander 18. It should be noted, regardless of which part of the turbine will rotate, everywhere the steam will go the same way from the manifold 19 through the nozzle apparatus 7 to the power part 4, then through the output grooves 10 into the diffusers 8 and falls under the influence of the exhaust blades of the expander 18. The exhaust blades of the expander are located at an acute angle and quite close to the diffusers. Therefore, the faster the stator part of the turbine rotates, the lower the pressure in its hollow space and the greater the pressure behind the expander exhaust vanes. Therefore, it will be more profitable if the stator part rotates and the rotor part is stationary, but in this case steam leaks from the collector may form, because it is stationary, therefore, a snug convexity is provided in the casing of the expander 20. After the exhaust blades of the expander the steam receives an additional speed, but since there is no way out for him, then there is additional pressure. Then he goes to the high-pressure chamber 24, the volume of which is insignificant compared to the volume of the expander. A volumetric hollow electric motor 21 is installed in the high-pressure chamber, the inner diameter of which is mounted on the neck of the cylinder of the expander. This electric motor acts as a drive compressor. Thus, the Carnot principle is used in the initial stage of compression; later, compression can be carried out according to the option proposed by the engineer Rankin. Those. the design allows the combination of both cycles. Part of the steam from the high-pressure chamber enters the intermediate pressure chamber 25, which can be used for regeneration, production needs, etc. From the high-pressure chamber, partially condensed steam enters the condenser 13 and is finally cooled by water from the water tank 23.

Пар вырабатывается в паропроизводителе 14. В дальнейшем пар направляется по различным узлам паротурбинного цикла в зависимости от степени надежности, мощности и защиты парогенератора. Для очистки пара можно частично задействовать камеру промежуточного давления, а для перегрева пара - камеру деаэратора 15, которая совмещена с дымоходом, с одной стороны, и служит защитой от перегрева приводного компрессора, с другой стороны, причем перегрев может осуществляться за счет уходящих газов. Перегретый пар поступает в паровой ресивер 22. Паровой ресивер сглаживает пульсации, и от него пар поступает в коллектор. Эжектор 12, циркуляционный и масляный насос 17 - необходимые агрегаты паротурбинного цикла. Уравнительные емкости 16 обеспечивают защиту паропроизводителя, турбины и выносных циклонов при перерыве в питании. Клапан вентиляции 33 поддерживает умеренное сжигание топлива и осуществляет приток свежего воздуха. The steam is produced in the steam generator 14. In the future, the steam is sent to various nodes of the steam turbine cycle, depending on the degree of reliability, power and protection of the steam generator. An intermediate pressure chamber can be partially used for steam cleaning, and a deaerator chamber 15 is used to superheat the steam, which is combined with the chimney, on the one hand, and serves as protection against overheating of the drive compressor, on the other hand, and overheating can be carried out due to flue gases. Superheated steam enters the steam receiver 22. The steam receiver smoothes the ripple, and from it the steam enters the collector. The ejector 12, the circulation and oil pump 17 are the necessary units of the steam turbine cycle. Equalization tanks 16 provide protection for the steam generator, turbine and remote cyclones during a power outage. Vent valve 33 maintains moderate fuel combustion and provides fresh air.

Позиции 3, 26, 27, 28, 29, 32, 34 служат для запуска турбины. Ротор 30 и статор 31 являются генератором, вырабатывающим электроэнергию для потребителя (щетки и токосъемные кольца не показаны). Нагрузку выгоднее снимать при неподвижной роторной части турбины, т.к. в этом случае будет вращаться статорная часть турбины вместе с диффузорами и после вытяжных лопаток давление пара в корпусе расширителя будет больше и сжатие будет происходить интенсивнее. Но для быстрого и безболезненного запуска необходимо вращение обеих обечаек турбины, т.е. ее роторной и статорной части, между которыми находятся рабочие лопатки и направляющий аппарат. Positions 3, 26, 27, 28, 29, 32, 34 are used to start the turbine. The rotor 30 and the stator 31 are a generator that generates electricity for the consumer (brushes and slip rings are not shown). It is more advantageous to remove the load with the stationary rotor part of the turbine, because in this case, the stator part of the turbine will rotate together with diffusers and after the exhaust vanes the vapor pressure in the expander body will be greater and the compression will be more intense. But for a quick and painless start, rotation of both turbine shells, i.e. its rotor and stator parts, between which are the working blades and the guide apparatus.

Электропарогенератор работает следующим образом. Steam generator operates as follows.

Электропарогенератор может работать на любом виде топлива (газ, дрова, уголь, керосин и т.д.), достаточно только подготовить его для этого, установить или убрать форсунки, насадки, подготовить шлаковую камеру и загрузочный ленточный конвейер. Оператор может находится в центре и непосредственно наблюдать за процессом в смотровое окно, через которое видны уравнительные емкости. An electric steam generator can work on any type of fuel (gas, firewood, coal, kerosene, etc.), you just need to prepare it for this, install or remove nozzles, nozzles, prepare a slag chamber and a loading conveyor belt. The operator can be in the center and directly observe the process through a viewing window through which equalization tanks are visible.

Добившись нужного давления в паровом ресивере, запускают турбину. Для запуска необходим любой источник электроэнергии или дизель-генератор, который должен быть укомплектован компрессором. Компрессор закачивает сжатый воздух в воздушный ресивер. Having achieved the desired pressure in the steam receiver, start the turbine. To start, you need any source of electricity or a diesel generator, which must be equipped with a compressor. The compressor pumps compressed air into the air receiver.

После заполнения воздушного и парового ресивера до нужного давления рукояткой гидропривода отпускают тормозное устройство статорной части турбины в ее подшипниковой части и подают питание на пусковой электродвигатель. Одновременно выводят из зацепления электромуфту и открывают клапана подачи сжатого воздуха из воздухосборника на воздушные лопатки роторной части турбины. Вращение обеих частей турбины должно быть в разные стороны. Следует заметить, что рабочие обороты турбины находятся в пределах 6-7 тысяч в минуту. Поэтому и необходимо вращение обеих частей, т.к. в этом случае их обороты суммируются. Следующим положением рукоятки гидропривода впускают постепенно пар из парового ресивера через коллектор в силовую часть турбины. Если давление чрезмерное, часть пара дросселируется в пустотелость статорной части турбины противопомпажным клапаном. Сжатый воздух воздействует на воздушные лопатки и, отработав, выходит в атмосферу через камеру выхода сжатого воздуха. В камере выхода сжатого воздуха должен быть установлен байпасный клапан, который защищает роторную часть турбины, особенно при ее остановке. После запуска (когда турбина наберет достаточный обороты) роторная часть турбины тормозится электромуфтой и фиксируется. Таким образом, будет вращаться только одна статорная часть турбины. Регулировка и настройка на требующий режим осуществляется подбором шайб в парогенераторной части и соблюдением уровня в выносных циклонах. Правильный выбор включения гидравлической схемы и значительное время срабатывания в уравнительных емкостях обеспечат быстрый запуск турбины и позволят существенно увеличить срок эксплуатации устройства. Настройка производится только один раз до случая поломки или замены какого-нибудь блока. Блочная конструкция позволяет легко разбирать и ремонтировать электропарогенератор. After filling the air and steam receiver to the desired pressure with the hydraulic actuator handle, the brake device of the stator part of the turbine in its bearing part is released and power is supplied to the starting motor. At the same time, the electrofusion is disengaged and the valves for supplying compressed air from the air collector to the air blades of the rotor part of the turbine are opened. The rotation of both parts of the turbine should be in different directions. It should be noted that the working speed of the turbine is in the range of 6-7 thousand per minute. Therefore, the rotation of both parts is necessary, because in this case their turns are summed up. The next position of the hydraulic actuator handle is gradually letting steam from the steam receiver through the collector into the power section of the turbine. If the pressure is excessive, part of the steam is throttled into the hollow of the stator part of the turbine by an anti-surge valve. Compressed air acts on the air blades and, having worked out, enters the atmosphere through the compressed air outlet chamber. A bypass valve must be installed in the compressed air outlet chamber, which protects the rotor part of the turbine, especially when it stops. After starting (when the turbine has gained sufficient speed), the rotor part of the turbine is braked by the electrofusion and fixed. Thus, only one stator part of the turbine will rotate. Adjustment and adjustment to the required mode is carried out by selecting washers in the steam generator part and observing the level in the remote cyclones. The correct choice of turning on the hydraulic circuit and a significant response time in equalization tanks will ensure a quick start of the turbine and will significantly increase the life of the device. Adjustment is made only once before a breakdown or replacement of any unit. The block design makes it easy to disassemble and repair the steam generator.

Источники информации
1. Баскаков А.П. Теплотехника. М.: Энергоиздат, 1982 г.Sources of information
1. Baskakov A.P. Heat engineering. M .: Energoizdat, 1982

2. Бузников Е. Ф. Комбинированная выработка пара и горячей воды. М.: Энергоиздат, 1981 г. 2. Buznikov EF Combined production of steam and hot water. M .: Energoizdat, 1981

Claims

A stand-alone electric steam generator, consisting of a steam generator, turbine, condenser and pump, characterized in that the steam generator is made universally combined in the form of a single block design, the turbine is made of condensation (hollow) and reactive parts, and the condensation and reactive parts have their own independent rotation relative to the common axis of torque, and steam after the turbine enters the capacitor through diffusers and expander.