Установка для осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности - к холодильной технике и установкам для осушки газа путем его охлаждения и удаления сконденсировавшейся в нем влаги и может найти применение, например, на электростанциях для осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора. Сущность данного изобретения состоит в следующем. Водород охлаждается в рекуперативном испарителе 7, в испарительной полости которого осуществляется воздушно-испарительный процесс в вакууме, создаваемом последовательно включенными паровыми эжекторами 12 и 15, в активные сопла которых подается пар фактически отработавший в турбине. Эжектор 15 является основным эжектором конденсатора 3 турбины 2. Патрубок 11 выхода испаряемой среды из испарителя 7 выполнен в виде пассивного сопла эжектора 12. Хладагентом в испарителе служат обессоленная вода и воздух, подсасываемый через дроссельное устройство 22 из окружающего пространства. Для организации воздушно-испарительного процесса в испарителе 7 служат распределительная решетка 19 и регулятор уровня жидкости 24. Удаляется сконденсированная из водорода влага через конденсатоотводчик 23. Изобретение направлено на обеспечение работоспособности экологически чистой установки осушки водорода в широком диапазоне вакуума в конденсаторе турбогенератора. Установка проста и надежна, имеет низкие эксплуатационные расходы. 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, предназначенной для обеспечения осушки газа способом его охлаждения и удаления сконденсировавшейся в нем влаги, и может найти, в частности, применение на электростанциях для осушки водорода в системе охлаждения электрических генераторов.

Для обеспечения максимального коэффициента полезного действия электрического генератора важное значение имеет минимальное содержание водяных паров в охлаждающем водороде. Содержание водяных паров в водороде, которые попадают в него различными путями, отрицательно влияет на экономичность и работоспособность генератора: растут вентиляционные потери и потери на трение из-за роста плотности и вязкости газовой смеси, а при некоторых значениях содержания водяных паров может быть нарушена электроизоляция.

Известны установки осушки газа, в частности водорода, адсорбционного типа. В них осушка газа осуществляется в адсорберах, заполненных твердым адсорбентом-силикагелем или цеолитом. Установки обязательно содержат минимум два адсорбента, один из которых находится в регенерации (а.с. СССР NN 603414, 603415, G 01 B, 3/58 и N 1011502, G 01 B, 3/56). Известна также установка адсорбционного типа осушки водорода, представленная в книге "Газомасляное хозяйство генераторов с водородным охлаждением" авторов В.С. Иванова и Ф.З.Серебрянского (издательства "Энергия" 1955 г. стр. 67-71). В этой установке силикагель, заполняющий адсорбер, регенерируется горячим воздухом с температурой (573 - 673)K, который продувается газодувкой через специальный электронагреватель. Процесс регенерации длится несколько часов, а до регенерации и после нее адсорбер должен быть продут нейтральным газом (CO₂ или N₂) во избежание контакта водорода с воздухом.

Известны установки осушки водорода, использующие принцип охлаждения водорода в теплообменном аппарате, хладагент последнего охлаждается в холодильной машине (а.с. 1170557). Образовавшийся в результате конденсации водяных паров из водорода конденсат удаляется из водорода, что и приводит к его осушке. Наиболее распространенным типом является фреоновая установка, описанная в книге. Ю.И.Азбукина "Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов" (Атомэнергоиздат, 1983 г., стр. 20 - 22) Наиболее близким решением является установка для осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора по патенту N 2071162 H 02 K 9/26 с приводом в виде паровой турбины с конденсатором, содержащая, вентилятор с всасывающей и нагнетательными зонами и рекуперативный испаритель с патрубками входа и выхода водорода и патрубками входа и выхода испаряемой среды, при этом нагнетательная зона соединена с патрубком входа водорода, а патрубок выхода последнего с всасывающей зоной с образованием замкнутого циркуляционного контура, причем выходной патрубок испаряемой среды выполнен в виде пассивного сопла эжектора, активное сопло которого соединено с зоной отбора турбины, а смешивающее сопло - с паровым объемом конденсатора; испаритель имеет оросительное устройство, испаряемая среда в нем - конденсат из конденсатора турбины; теплообменная поверхность испарителя снабжена фитилями.

Недостатками перечисленных установок являются: 1. Громоздкость и энергоемкость, связанные с необходимостью использования газодувки, электрического нагревателя и минимум двух адсорберов для обеспечения бесперебойной работы во время регенерации адсорбционных установок; 2. Высокие эксплуатационные расходы, связанные с обслуживанием холодильной машины или газодувки и электрического нагревателя; 3. Экологическая вредность из-за использования фреона и других подобных хладагентов; 4. Невозможность получения низких температур в процессе чистого испарения воды при одноступенчатом эжекторе и плохом вакууме в конденсаторе турбины, например, при работе конденсатора на встроенных пучках в зимний период, т.е. неработоспособность при давлениях в полости испарителя больших 830 Па.

Целью изобретения является обеспечение работоспособности экологически чистой установки осушки водорода в широком диапазоне вакуума в конденсаторе турбогенератора.

Это достигается тем, что установка для осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора с приводом в виде паровой турбины с конденсатором содержит вентилятор с всасывающей и нагнетательной зонами и рекуперативный испаритель с патрубками входа и выхода водорода и патрубками входа и выхода испаряемой среды, при этом нагнетательная зона соединена с патрубком входа водорода, а патрубок выхода последнего - с всасывающей зоной с образованием замкнутого циркуляционного контура, причем выходной патрубок испаряемой среды выполнен в виде пассивного сопла эжектора, активное сопло которого соединено с зоной отбора турбины, а смешивающее сопло соединено с пассивным соплом дополнительного эжектора; пассивное сопло дополнительного эжектора также соединено с паровой полостью конденсатора; между входным патрубком испаряемой среды и теплообменной поверхностью испарителя установлена решетка с образованием подрешеточной и надрешеточной полостей, последняя из которых соединена с патрубком входа испаряемой среды, а первая - с окружающей средой через дроссельное устройство, испаритель снабжен регулятором уровня испаряемой среды, который соединен с патрубками входа и выхода испаряемой среды. Все признаки влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом. На чертеже схематично изображена установка осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора с приводом в виде паровой турбины с конденсатором.

Установка содержит электрический генератор 1, паровую турбину 2 с конденсатором 3, вентилятор 4 с всасывающей 5 и нагнетательной 6 зонами, рекуперативный испаритель 7 с патрубками 8 и 9 выхода водорода и патрубками 10 и 11 входа и выхода испаряемой среды; установка снабжена также эжектором 12 с пассивным соплом в виде выходного патрубка 11 испаряемой среды и активным соплом 13, соединенным отбором 14 турбины 2; установка имеет дополнительный эжектор 15, пассивно сопло 16 которого соединено со смешивающим соплом 17 эжектора 12 и паровой полостью конденсатора 3, а между входным патрубком 10 испаряемой среды и теплообменной поверхностью 18 испарителя 7 установлена решетка 19 с образованием подрешеточной 20 и надрешеточной 21 полостей, подрешеточная полость 10 соединена с окружающим пространством через дроссельное устройство 22; испаритель 7 снабжен также конденсатоотводчиком 23 и регулятором уровня 24, который соединен с патрубками 9 и 10 испаряемой среды испарителя 7.

Установка работает следующим образом. Влажный водород с влагосодержанием порядка d = 0,15 кг/кг сух.газа и температурой до 323 K подается из генератора 1 вентилятором 4 из нагнетательной зоны 6 к патрубку 8 входа водорода в испаритель 7, где циркулируя внутри трубок, являющихся теплообменной поверхностью 18, охлаждается благодаря фазовому переходу испаряемой среды в воздух, поступающий в подрешеточную полость 20 из окружающей испаритель 7 среды через дроссельное устройство 22. В результате охлаждения водорода до температуры порядка 278 K, что соответствует влагосодержанию 0,032 кг/кг сух. газа при избыточном давлении 0,25 МПа, водяные пары, бывшие в нем, конденсируются; сконденсированная влага удаляется через конденсатоотводчик 23, а осушенный водород поступает во всасывающую зону 5 вентилятора 4, т.е. в генератор 1.

Испаряемая среда (обессоленная вода) поступает в установку через регулятор уровня 24 на решетку 19, где происходит адиабатический процесс смешения с воздухом, поступающим из окружающей среды через дроссельное устройство 22. В результате смешения происходит охлаждение воздушно-водяной смеси до T 275K, которая затем поступает на теплообменную поверхность 18, где происходит воздушно-испарительный процесс охлаждения этой поверхности. Это позволяет достигнуть необходимого охлаждения водорода в широком диапазоне значений вакуума в конденсаторе 3 турбины 2 от минус 0,05 МПа до минус 0,0998 МПа, чего невозможно было достичь в чисто испарительном процессе без каскада последовательно включенных эжекторов и, связанного с этим, большого усложнения установки. Уровень воды над решеткой 19, поддерживается регулятором уровня 24, обеспечивающим устойчивый и развитый барботажный режим движения газожидкостного потока, характеризующегося критерием устойчивости Кутателадзе изменяющегося в диапазоне 0,2 - 0,8. Решетка 19 обеспечивает распределение воздуха по фронту испарителя 7 в соответствии с передаваемой поверхностью 18 тепловой нагрузкой. Используемым хладагентом является обессоленная вода, температура которой не превышает 313 К, что значительно эффективнее, чем использовать конденсат из конденсатора 3, т.к. температура конденсата при ухудшенном вакууме достигает 353 К. Вакуум в испарителе 7 создается эжектором 12, активное сопло 13 которого соединено с отбором 14 пара из турбины 2. Из отбора берется порядка 50 кг/час пара с давлением (абсолютным) 0,3 - 0,5 МПа, что практически не сказывается на работе турбины через которую проходят сотни тонн пара в час; в режимах же хорошего вакуума в конденсаторе 3 расход пара на эжектор 12 может быть значительно уменьшен. Выход испаряемой среды из испарителя 7 осуществляется через патрубок 11, выполненный в виде пассивного сопла эжектора 12. Сброс смеси паров из эжектора 12 производится в пассивное сопло 16 дополнительного эжектора 15, соединенного с паровым пространством конденсатора 3.

Таким образом, отсутствие в установке хладагентов типа фреонов и аммиака делает ее экологически чистой. Использование минимального расхода пара, практически отработавшего в турбине 2, в качестве активной среды в эжекторе 12, а также использование обессоленной воды и воздуха из окружающего пространства делают установку высокоэкономичной по сравнению с установками, использующими холодильные машины с электроприводом.

Воздушно-испарительный процесс вместо чистого испарения, осуществленный в испарителе 7, позволяет осушать водород во всем диапазоне изменения вакуума в конденсаторе 3 от минус 0,05 до минус 0,0998 МПа, в то время как охлаждение водорода в режиме чистого испарения воды в испарителе 7 возможно только при вакууме в конденсаторе 3 турбины 2 не хуже минус 0,098 МПа, при ухудшении вакуума в конденсаторе 3 для осуществления охлаждения водорода в режиме чистого испарения воды необходим каскад эжекторов. При воздушно-испарительном процессе охлаждения водорода отпадает необходимость в зоне орошения в испарителе 7 и в фитилях на теплообменной поверхности 18. Установка проста и надежна, имеет низкие эксплуатационные расходы.

Установка, разработанная по данному предполагаемому изобретению, изготовлена и находится в эксплуатации на ряде электростанций г. Москвы.

Осуществление данного предлагаемого изобретения возможно везде, где есть необходимость в осушке газа и есть активный поток газа (пара) с избыточным давлением 0,3 - 0,5 МПа.

Формула изобретения

Установка для осушки водорода в системе охлаждения электрического генератора с приводом в виде паровой турбины с конденсатором, содержащая вентилятор с всасывающей и нагнетательной зонами и рекуперативный испаритель с патрубками входа и выхода водорода и патрубками входа и выхода испаряемой среды, при этом нагнетательная зона соединена с патрубком входа водорода, а патрубок выхода последнего - с всасывающей зоной с образованием замкнутого циркуляционного контура, причем выходной патрубок испаряемой среды выполнен в виде пассивного сопла эжектора, активное сопло которого соединено с зоной отбора турбины, отличающаяся тем, что в установке размещен дополнительный эжектор, пассивное сопло которого соединено со смешивающим соплом эжектора испарителя и с паровой полостью конденсатора, а между входным патрубком испаряемой среды и теплообменной поверхностью испарителя установлена распределительная решетка с образование подрешеточной и надрешеточной полостей, последняя из которых соединена с патрубком входа испаряемой среды, а первая - с окружающей средой через дроссельное устройство, причем испаритель снабжен регулятором уровня испаряемой среды, который соединен с патрубками входа и выхода испаряемой среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1