Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 3

Переход к повышенным параметрам приводит к существенному изменению марочной структуры применяемых при созданииосновного энергетического оборудования конструкционных материалов. Так, например, еслипри сверхкритических параметрах пара (СКП – 23,5 МПа, 540/540 °С) используются толькоферритные стали, а при суперсверхкритических в структуре появляется около 20 % аустенитных, то при увеличении температуры свыше 700 °C доля аустенитных сталей и никелевых8сплавов превышает 50 %.

Соотношение стоимости традиционно используемых при изготовлении паротурбинных энергоблоков сверхкритических параметров материалов и дорогостоящих жаропрочных сталей и сплавов составляет 1/5 для ССКП и 1/43 – для УСКП блоков. Увеличение доли жаропрочных конструкционных материалов в марочной структуре становитсяпричиной роста стоимости энергоустановок и препятствием для обеспечения экономическойцелесообразности их использования, несмотря на существенное приращение в экономичностии улучшение экологических показателей.В связи с высокой стоимостью жаропрочных материалов и их существенной долей вструктуре металлозатрат одним из ключевых направлений развития высокотемпературных паротурбинных энергетических комплексов является разработка технических решений, позволяющих сократить количество используемых дорогостоящих сталей и сплавов при созданииоборудования энергоустановок, снизив тем самым капитальные затраты.В паротурбинных установках большая доля использования никелевых сплавов приходится на высокотемпературные паропроводы острого пара и пара промежуточного перегрева.Протяженность паропроводов определяется конструктивным исполнением основного оборудования – котла и турбины и их взаимным расположением.

Следовательно, технические решения, позволяющие сократить общую протяженность паропроводов, заслуживают повышенного внимания исследователей.Другим способом уменьшения массы используемых дорогостоящих жаропрочных материалов является организация охлаждения деталей, работающих в зонах высоких температур.В первую очередь, это элементы высокотемпературных отсеков паровой турбины: корпус, ротор, клапанные коробки, сопловые и рабочие лопатки. Применение системы охлаждения потребует усложнения как тепловой схемы энергоблока, так и конструкции самой турбины, иприведет к некоторому снижению тепловой экономичности, вызванному отбором части парана охлаждение теплонапряженных элементов конструкции. Определение целесообразногоуровня рабочих температур металла и, соответственно, его марки является задачей конструктивно-технологической и технико-экономической оптимизации.Большие резервы снижения металлоемкости мощных паротурбинных энергоустановокскрыты в частях низкого давления паровых турбин.

Во всем мире ведется активная работа поувеличению пропускной способности цилиндров низкого давления (ЦНД) с целью уменьшения габаритных размеров турбомашин и снижения расхода металла на их изготовление. Решение этой проблемы, наряду со снижением доли жаропрочных материалов в структуре металлозатрат, будет способствовать повышению конкурентоспособности энергетических комплексов.Одним из перспективных направлений является использование в энергетических установках водородного топлива, которое не только позволяет обеспечить высокие экологические показатели, но и решает проблему перегрева пара за счет реализации передачи теплоты не черезстенку поверхности нагрева, а посредством смешения в компактных водородно-кислородныхкамерах сгорания, применение которых может существенно сократить расход жаропрочныхматериалов при обеспечении гораздо более высокой температуры перегрева по сравнению страдиционными котельными установками.Амбициозные цели по созданию в сжатые сроки принципиально новых образцов сложного высокотехнологичного оборудования и организация его производства и эксплуатацииставит задачу совершенствования подходов к проектированию новых сложных техническихсистем и входящих в них элементов.

Несмотря на активное развитие вычислительной техникии методов моделирования процессов различной природы, существуют серьезные ограниченияприменимости существующих моделей. Особый интерес в рассматриваемом случае представляют методы проектирования теплонапряженных деталей высокотемпературных энергетических комплексов и применение при их создании цифровых технологий производства.Основной задачей при создании перспективных высокотемпературных энергетическихкомплексов с повышенными технико-экономическими показателями является синтез рациональной структуры и выбор параметров, формирование облика основного энергетического9КПД энергоблока нетто, %оборудования на базе научно-обоснованных технических решений с применением приемов иметодов функционально-стоимостного анализа, что позволит достичь максимального уровняэнергетической эффективности при минимальных затратах.Во второй главе представлены результаты исследований влияния структуры и параметров тепловых схем высокотемпературных энергетических комплексов, работающих на органическом, ядерном и водородном топливах, на термодинамическую эффективность, а такженовые технические решения, обеспечивающие практическую реализуемость предлагаемыхкомплексов путем преодоления существующих технических и экономических ограничений.Необходимым условием достижения максимальной экономической эффективности является выбор оптимальной структуры и параметров тепловой схемы энергоблока в совокупностис совершенствованием основного и вспомогательного оборудования.

Поэтому исследованиесхемных решений высокотемпературных энергетических комплексов проведено с учетомограничений, накладываемых конструктивной реализацией оборудования и его взаимным расположением. Принятые ограничения и компоновочные решения не только оказывают влияниена технические параметры и, как следствие, на экономичность, но и определяют технологичность конструкций, расход конструкционных материалов, удобство обслуживания, что в конечном счете сказывается на показателях экономической эффективности.С использованием методов математического моделирования исследовано влияние параметров и структуры тепловой схемы на экономичность энергоблока. Установлено, что повышение параметров со сверхкритических до ультрасверхкритических приводит к увеличениюэкономичности блока более чем на 5 %.

При этом оптимальный уровень давления промежуточного перегрева pпп составляет порядка 7 МПа, что соответствует 20 % от уровня начальногодавления p0, причем относительное давление промежуточного перегрева снижается по мереувеличения начального давления. Промежуточный перегрев до tпп = 720 °С при указанномуровне давления обеспечивает КПД энергоблока нетто 48,5 % (рисунок 1).

Установлено, чтомаксимальный уровень эффективности энергоблока достигается при температуре питательнойводы, равной 330-340 °С, в случае реализации подогрева в девяти регенеративных подогревателях, четыре из которых – высокого давления.494847464534567pпп, МПа891011tпп, °C:600650700720Рисунок 1 – Зависимость тепловой экономичности энергоблокаот давления промежуточного перегрева пара (p0 = 35 МПа)Применение двойного промежуточного перегрева приводит к дальнейшему росту тепловой экономичности. При этом оптимальное давление первого промежуточного перегрева несколько возрастает по сравнению с однократным и составляет 7,5 МПа, а давление второгонаходится на уровне 3 МПа. Использование двойного промежуточного перегрева хотя и приводит к росту КПД, однако существенно усложняет технологическую схему энергоблока и его10оборудования – появляются дополнительные высокотемпературные поверхности нагрева вкотле, паропроводы, соединяющие их с турбиной, а также еще один высокотемпературныйцилиндр турбины, что делает схему с однократным перегревом более предпочтительной.С использованием результатов проведенных исследований и на основе анализа существующих технических решений, применяемых при создании современных пылеугольных энергоблоков, сформирован конструктивный облик основного оборудования энергоблока УСКПмощностью 1000 МВт – котельной установки и паровой турбины, массогабаритные характеристики которых были положены в основу оценок стоимости нового оборудования.

Посколькуодним из основных препятствий перехода к ультрасверхкритическим параметрам пара является существенное увеличение в структуре металлозатрат дорогостоящих конструкционныхматериалов, способных работать при высоких температурах, методом математического моделирования проведено исследование влияния начальных параметров на стоимость основныхэлементов энергоблока, претерпевающих наиболее существенные изменения при повышенииначальных параметров пара (рисунок 2). Установлено, что при переходе от сверхкритическихк ультрасверхкритическим параметрам пара стоимость главных паропроводов увеличиваетсяв 3 раза, стоимость паровой турбины возрастает на 32 %, затраты на сооружение котельнойустановки увеличиваются в 2,4 раза, а стоимость вспомогательного оборудования возрастаетна 7 %.

Таким образом, для сокращения стоимости основного оборудования целесообразнымявляется разработка научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижениерасхода жаропрочных материалов при изготовлении главных паропроводов, паровой турбиныи котельного агрегата.Стоимость, млрд руб.1614121086420ГлавныепаропроводыПаровая турбинаКотельный агрегат ВспомогательноеоборудованиеСКППереход от СКП к УСКПРисунок 2 – Увеличение стоимости оборудования энергоблока при переходе к УСКПС целью минимизации протяженности высокотемпературных паропроводов проведенапроработка ряда конструктивных исполнений котельной установки и паровой турбины, атакже проанализированы варианты компоновочных решений блока.

Разработанные вариантыкомпоновочных решений представлены в таблице 1. Проведенный анализ полученных компоновочных решений показал, что изменение схемы расположения котельного агрегата существенно влияет на длину главных паропроводов, при этом наименьшую длину обеспечиваеткомпоновка с горизонтальным котлом, позволяющая сократить протяженность паропроводовболее чем в 3 раза (на 150 м) по сравнению с наиболее распространенной для энергоблоковССКП и УСКП компоновкой с башенным котлом. Трехкратное сокращение длины паропроводов обеспечивает соответствующее снижение их стоимости.

План расположения основногооборудования энергоблока с котлом горизонтальной компоновки приведен на рисунке 3.11Таблица 1 – Варианты компоновочных решений энергоблока УСКПП-образный котел, традиционная компоновка Т-образный котел, традиционная компоновкаДлина паропроводов – 177,8 м, в т.ч.:- острого пара: 96,2 м;- перегретого пара: 81,6 м.П-образный котел,горизонтальная компоновкаДлина паропроводов – 187,8 м, в т.ч.:- острого пара: 106,2 м;- перегретого пара: 81,6 м.Т-образный котел,горизонтальная компоновкаДлина паропроводов – 105,7 м, в т.ч.:- острого пара: 53,8 м;- перегретого пара: 51,9 м.П-образный котел, инверторная компоновкаДлина паропроводов – 151 м, в т.ч.:- острого пара: 68,8 м;- перегретого пара: 82,2 м.Т-образный котел, инверторная компоновкаДлина паропроводов – 80 м, в т.ч.:- острого пара: 36,6 м;- перегретого пара: 43,4 м.Башенный котелДлина паропроводов – 86,6 м, в т.ч.:- острого пара: 36,6 м;- перегретого пара: 50 м.Горизонтальный котелДлина паропроводов – 209,4 м, в т.ч.:- острого пара: 97,7 м;- перегретого пара: 111,7 м.Длина паропроводов – 63 м, в т.ч.:- острого пара: 30,9 м;- перегретого пара: 32,1 м.12Рисунок 3 – План расположения оборудования энергоблока УСКП с горизонтальным котломКак следует из полученных результатов, представленных на рисунке 2, наибольший вкладв увеличение стоимости энергоблока вносит котельная установка, рост стоимости которойобусловлен значительным расходом жаропрочных материалов на изготовление высокотемпературных пароперегревателей.