Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 4

Возможным способом сокращения расхода жаропрочных материалов в котле является перенос перегрева пара из поверхностей нагрева в водородно-кислородные камеры сгорания, где передача теплоты происходит не через поверхность теплообмена, а посредством смешения пара, поступающего из котла с высокотемпературными продуктами сгорания. Такая организация перегрева пара позволяет достигнуть гораздо более высокого уровня температур, которые в традиционных паротурбинных установках ограниченывозможностями конструкционных материалов пароперегревательных поверхностей. Тепловаясхема энергоблока с водородным высокотемпературным перегревом пара приведена на рисунке 4.На рисунке 5 приведены результаты проведенного моделирования, характеризующие изменение КПД энергоблока брутто в зависимости от температуры промежуточного перегревапара при различных уровнях температуры свежего пара.

Диапазон изменения температур каксвежего пара, так и пара промежуточного перегрева варьировался от температуры за котельным агрегатом до 1200 °С. Из полученных зависимостей видно, что при перегреве пара доуровня температур, соответствующих ультрасверхкритическим параметрам, КПД энергоблока брутто находится на уровне 52-53 %, что позволяет обеспечить КПД нетто порядка 4849 %. Стоит отметить, что при перегреве пара свыше 900 °С целесообразна установка промежуточного охладителя для снижения температуры перед цилиндром низкого давления.Сжигание водорода предлагается осуществлять в парокислородной среде, когда в качестве окислителя используется смесь водяного пара, генерируемого в котельном агрегате, икислорода.

Указанное решение позволяет снизить максимальную температуру пламени доуровня 2000-2200 °С, что характерно для максимальных температур пламени в камерах сгорания газовых турбин, обеспечив тем самым надежную работу металла жаровой трубы. Сниже-13ние температуры горения за счет балластирования окислителя водяным паром неизбежно вызовет снижение реакционной способности смеси. Поэтому для обеспечения стабильного горения необходимо было разработать конструкцию камеры сгорания, обеспечивающую надежную стабилизацию пламени.Рисунок 4 – Тепловая схема энергоблока с двукратным водородным перегревом параКПД энергоблока брутто, %75706560555045600700800900100011001200tпп, °Сt0, °С:620720860900100011001200Рисунок 5 – КПД гибридного энергоблока с двумя водородными пароперегревателямиРазработанная конструктивная схема камеры сгорания с лопаточным завихрителем, обеспечивающим надежную стабилизацию пламени, для сжигания водорода в парокислороднойсреде, приведена на рисунке 6. Диаметр входного участка жаровой трубы выбирается таким14образом, чтобы отобрать от основного потока количество пара, необходимое для балластирования окислителя и обеспечивающее заданный уровень температуры горения.

Кислород подается в паровой поток перед его поступлением в рабочую часть жаровой трубы. Подача водорода в жаровую трубу осуществляется через центральный канал и внешний завихритель, а подача парокислородной смеси – через внутренний завихритель и отверстия на стенках жаровойтрубы. Основной поток пара омывает жаровую трубу снаружи, обеспечивая ее охлаждение,затем смешивается с высокотемпературными продуктами сгорания в узле смешения, послечего пар направляется в высокотемпературную паровою турбину.Рисунок 6 – Конструктивная схема водородно-кислородной камеры сгоранияЕще одним возможным способом сокращения расхода жаропрочных материалов являетсяприменение охлаждения высокотемпературных элементов паровой турбины. При этом стоитотметить, что применение охлаждения неизбежно приведет к снижению тепловой экономичности энергоблока, обусловленному снижением мощности турбины из-за направления частирабочего тела цикла на охлаждение высокотемпературных деталей.

Расчетная схема охлаждаемого отсека паровой турбины с конвективным охлаждением лопаток статора и ротора представлена на рисунке 7. Высокотемпературная среда направляется в отсек при температуре t0.Для охлаждения лопаток используется рабочая среда с температурой tхлад, раздающаяся из распределительного коллектора по ступеням турбины. Охладив лопатки, суммарный поток хладагента поступает в проточную часть непосредственно за охлаждаемым отсеком.

В результатепроисходит смешение хладагента с рабочей средой на выходе из охлаждаемого отсека и дальнейшее расширение смеси в неохлаждаемом отсеке паровой турбины.Рисунок 7 – Расчетная схема охлаждаемого отсека паровой турбиныДля оценки энергетических эффектов, вызванных применением охлаждения, была разработана модель охлаждаемого отсека паровой турбины и получены зависимости, позволяющиеопределить необходимый расход пара на охлаждение и мощность охлаждаемого отсека при15различном уровне начальных температур пара, температур свежего пара и хладагента, а такжепри разных рабочих температурах металла.Относительный расход на охлаждение отсека Ψ можно определить по формуле (1).хладΨ∙ 100%0,3662 ∙,∙ хлад.вх∙ 7,7897354115561мет(1), где Gхлад – расход хладагента на решетку, кг/с;G0 – расход рабочей среды на входе в решетку, кг/с;t0 – температура пара на входе охлаждаемого отсека, °С;tхлад.вх – температура хладагента на входе в охлаждающие каналы лопаток, °С;tмет – рабочая температура металла, °С.Мощность охлаждаемого отсека паровой турбины Nохл.отс можно определить из соотношения (2).охл.отс500∙2,9540,01294 ∙∙ 10 ∙ мет0,004659 ∙хлад.вх0,005809 ∙1,433 ∙ 10 ∙ хлад.вх0,002772 ∙метмет4,792 ∙ 10∙∙ 15,54 0,4959 ∙ мет0,007332 ∙ мет ∙ .хлад.вх1,09250,4898 ∙(2)С применением полученных математических выражений проведено моделирование тепловых схем высокотемпературных энергоблоков с охлаждаемыми паровыми турбинами в широком диапазоне изменения начальной температуры.

Зависимости изменения КПД энергоблока от начальной температуры пара при различных значения температуры хладагента и рабочей температуры металла представлены на рисунке 8.52,5КПД энергоблока , %52,051,551,050,550,049,549,048,548,0700800900100011001200t0, °С600/700600/800600/900700/800tмет, °C/700/900700/1000800/900800/1000tпп, °C:800/1100900/1000900/1100900/1200Рисунок 8 – Зависимость КПД энергоблокас охлаждаемой высокотемпературной турбиной от начальной температуры параУстановлено, что применение охлаждения деталей высокотемпературной паровой турбины при начальной температуре пара 700-800 °С не приводит к существенному снижениюКПД энергоблока в силу относительно небольшого расхода хладагента, отбираемого на охлаждение.

Так, при начальном уровне температуры 700-720 °С снижение экономичности составляет порядка 0,4 %, при этом уровень температуры металла может быть снижен до 600 °С, что16соответствует энергоблокам с суперсверхкритическими параметрами пара. Указанный уровень рабочих температур элементов конструкций позволяет применять более дешевые ужеосвоенные в производстве конструкционные материалы, сократив таким образом стоимостьсоздания оборудования, и наряду с этим способствует решению проблемы обеспечения надежности и длительности эксплуатации энергоустановки.Гибридный принцип может быть применен и для повышения тепловой экономичностиатомных паротурбинных электростанций, КПД которых в силу сравнительно низких начальных параметров пара, ограниченных условиями ядерной безопасности и возможностями перегрева в ядерной паропроизводящей установке, находится на уровне – 33-34 %.При низкой начальной температуре пара (порядка 270 °С) в качестве топлива для перегрева может быть применено не только водородное, но и традиционное органическое топливо.В ходе проведения исследований рассмотрены возможности повышения экономичности имощности АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) с применением для перегрева пара специальных пароперегревателей, работающих на углеводородном топливе, приэтом перегрев осуществляется до 600-620 °С.

Проведена конструктивная проработка пароперегревателя для гибридного атомного энергоблока. Конструктивная схема котла-пароперегревателя представлена на рисунке 9.а) продольный разрезб) поперечный разрезРисунок 9 – Котел-пароперегреватель для гибридной АЭСКонструктивная проработка узлов, проведенная с применением методов математическогомоделирования, доказала возможность создания подобного оборудования, обладающего необходимыми характеристиками. Перегрев пара в котле-пароперегревателе до 600 °С позволяетувеличить мощность блока с 1000 до 2000 МВт, при этом выработка дополнительной электрической энергии происходит с КПД порядка 50 %, что сопоставимо с парогазовыми установками с температурой газов на входе в турбину на уровне 1100 °С.Не менее важной задачей при реализации перегрева пара на АЭС во внешнем перегревателе до 600 °С является разработка турбины, мощность которой возрастает в два раза по сравнению с традиционной турбиной К-1000-5,9/50.

Двукратное увеличение мощности происходит как из-за роста располагаемого теплоперепада, обусловленного повышением начальной17температуры, так и из-за увеличения массового расхода пара через проточную часть турбины,что обусловлено исключением из схемы сепаратора-пароперегревателя, установленногомежду цилиндрами высокого и низкого давления турбины традиционной АЭС. Массовый расход пара через цилиндр высокого давления (ЦВД) увеличивается на 150 кг/с, т.е. чуть болеечем на 10 %, и на 300 кг/с через цилиндры низкого давления, что составляет около 20-25 % отпрежнего расхода. Из-за повышения температур по проточной части увеличивается и объемный расход пара.