Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 5

В результате объемный расход пара через выхлопные отсеки турбины увеличивается на 40-50 %. Таким образом, основной задачей, требующей решения для созданиябыстроходной паровой турбины для гибридной АЭС мощностью 2000 МВт, является обеспечение пропуска в конденсатор увеличенного расхода пара через выхлопные отсеки цилиндранизкого давления. Одним из возможных решений обозначенной проблемы является увеличение пропускной способности ЦНД за счет применения двухъярусных проточных частей.

С использованием предложенного решения разработан конструктивный облик перспективнойбыстроходной высокотемпературной паровой турбины для гибридных АЭС мощностью2000 МВт, продольный разрез которой представлен на рисунке 10.Рисунок 10 – Продольный разрез перспективной высокотемпературной паровой турбиныВысокую эффективность энергоблока обеспечивают не только параметры термодинамического цикла и структура тепловой схемы, но и степень совершенства основного оборудования: котельного агрегата и паровой турбины.

В целях обеспечения необходимых показателейэкономичности основного оборудования проведена его детальная конструктивная проработка.В третьей главе диссертации изложены основы новой методологии поиска рациональныхнаучно-обоснованных технических решений, базирующейся на комплексном применении расчетных и экспериментальных методов исследований с использованием аддитивных технологий для изготовления физических моделей, а также представлены новые научно-техническиерешения, обеспечивающие создание оборудования высокотемпературных энергетическихкомплексов большой мощности, разработанные с применением предложенной методологии.Последовательность разработки новых решений представлена на рисунке 11. Первым этапом является формирование концепции нового решения на основе оптимизационных исследований с целью определения первоначального конструктивного облика и выбора наилучшихпараметров, обеспечивающих максимальный уровень эффективности (структурно-параметрическое моделирование).

На втором этапе осуществляется объемное моделирование и производится исследование разработанных конструкций с применением методов численного моделирования (геометрическое моделирование). После определения наилучшего варианта конструкции осуществляется изготовление материального макета (модели) с применением аддитивныхтехнологий производства, обеспечивающих изготовление в максимально сжатые сроки (макетирование). Завершающим этапом разработки новых решений является проведение испытаний и экспериментов с целью подтверждения работоспособности и эффективности принятыхконструктивно-технологических решений (физико-механическое моделирование). На основерезультатов экспериментальных исследований при необходимости вносятся изменения как вконструкторскую документацию, так и в используемые в процессе проектирования математические модели с целью их уточнения.18Задание функций(задание на проектирование)Структурноемоделирование(синтез структуры)Параметрическоемоделирование−−+КорректировкаструктурыПроверкакачествафункционированиясистемы−Функциональные характеристикиэлементов системыПроверкаадекватностимоделиНатурныеиспытанияМодельныеисследования+Корректировка моделиОбъемноемоделирование(созданиеэлектронного макета)Инженерный анализ (наоснове математическихмоделей)ПроверкакачестваКорректировкаконструкции+Конструкторскаяи технологическаядокументацияМасштабноемакетированиеНатурноемакетированиеМакетированиеГеометрическое моделированиеСтруктурно-параметрическоемоделирование+Сравнениеполученныххарактеристик сзаданнымиФизико-механическое моделированиеГотовое изделие−Рисунок 11 – Методология разработки научно-обоснованных технических решенийВ обеспечение практической реализации предложенной методологии разработки созданспециализированный экспериментальный комплекс, позволяющий проводить исследованиямодельных образцов деталей и узлов нового энергетического оборудования.

Комплекс состоит из стендов для аэродинамических испытаний плоских и кольцевых решеток турбомашин, моделей стопорных и регулирующих клапанов и выхлопных патрубков, установки дляисследования структуры течения в моделях топочных камер котельных агрегатов, а также экспериментальных стендов для исследования процессов теплообмена в охлаждаемых теплонапряженных деталях высокотемпературных турбин.К техническим решениям, определяющим уровень экономичности и надежности, относятся: котельный агрегат горизонтальной компоновки; решения, обеспечивающие надежнуюи экономичную работу части высокого давления паровой турбины, в том числе система парораспределения и новая конструкция меридиональных обводов турбинных решеток; цилиндрнизкого давления повышенной пропускной способности с двухъярусной проточной частью,позволяющий снизить металлоемкость мощных турбомашин или реализовать большую мощность (свыше 1200 МВт) в быстроходном турбоагрегате одновального исполнения.Отличительной чертой разработанного котельного агрегата, по сравнению с традиционными компоновками, является способ организации шлакоудаления, предполагающий расположение холодных воронок по всей длине топочной камеры, что оказывает существенное влияние на структуру потока в топке котла.

В ходе конструктивной проработки котельного агрегата решены три задачи по организации топочного пространства: определено оптимальное сточки зрения структуры течения положение и угол наклона горелочных устройств; предложена новая конструкция холодных воронок, обеспечивающая минимальное аэродинамическоесопротивление; разработана оригинальная конструкция поворота газохода за топочной камерой, обеспечивающая минимальную степень неравномерности профиля скорости за поворо-19том для снижения неравномерного распределения тепловых потоков в радиационно-конвективных поверхностях нагрева. Исследованы различные конструктивные исполнения топки горизонтального котла. Варьировались такие параметры, как форма поворота, геометрическиеразмеры топочной камеры, расположение горелочных устройств, форма холодной воронки.На рисунке 12 представлены два варианта топки горизонтального котла с различной формойхолодной воронки и расположением горелок.а) конструкция с поперечноб) конструкция с двумя продольнорасположенными холодными воронкамирасположенными холодными воронкамиРисунок 12 – Конструктивные схемы топочной камеры горизонтального котлаПолученные результаты показали, что продольное расположение холодных воронок вдольоси топочной камеры позволяет отцентрировать положение вихреобразования и добиться егостабильности, что обеспечивает оптимальные условия сгорания топлива.

Результаты пространственного моделирования аэродинамики топочной камеры представлены на рисунке 13.а) поперечное сечениеб) продольное сечениеРисунок 13 – Результаты моделирования аэродинамики топочной камерыСжигание топлива осуществляется в прямоточных горелочных устройствах, расположенных тангенциально по периметру топки. В центре топки образуется вихревой факел, которыйраспространяется вдоль оси топочной камеры.Общая длина котельного агрегата с учетом хвостовых поверхностей нагрева составляет85,5 м; строительная площадь, необходимая для его размещения, приблизительно в 2 разабольше, чем в случае использования традиционных компоновочных решений.

Однако приэтом выходные коллекторы пароперегревателей оказываются на отметке 34,5 м, что позволяетсократить протяженность высокотемпературных трубопроводов почти вдвое. Кроме того,имеется возможность вывода выходных коллекторов в нижнюю часть трубных пакетов конвективных поверхностей теплообмена, в результате чего они окажутся на уровне 16 м. Приэтом общая протяженность трубопроводов острого и вторичного пара сокращается втрое посравнению с традиционными вариантами исполнения котельного агрегата. Проведенные расчетные исследования показали перспективность использования предложенной компоновочной схемы.

Расчетный КПД котла составил 93,1 %.20Повышение начального давления пара до уровня 32-36 МПа предъявляет новые требования к конструкции части высокого давления паровой турбины. При увеличении давления с 24до 35 МПа следует ожидать повышения динамических нагрузок на штоки регулирующих клапанов не менее чем на 40 % по сравнению с исходным уровнем, поскольку их величина пропорциональна начальному давлению пара. Поэтому для турбин нового поколения, работающих при ультрасверхкритических параметрах пара, необходимо использовать регулирующиеклапаны с предельно низкими исходными динамическими нагрузками, которые зависят от амплитуд пульсаций давления в проточных частях клапанов. На основе результатов расчетноэкспериментальных исследований была предложена конструкция блока стопорно-регулирующих клапанов для системы парораспределения турбины с ультрасверхкритическими параметрами пара К-1000-35/50, предусматривающей установку четырех таких блоков.

Примененныеконструктивные решения позволяют снизить гидравлическое сопротивление клапанов до2,5 % от начального давления, что вдвое меньше сопротивления клапанов традиционной конструкции.Рост начального давления пара приводит к проблемам при формировании проточной части цилиндра высокого давления, обусловленным снижением объемного расхода пара черезцилиндр, вызывающим, как следствие, уменьшение относительных высот лопаточного аппарата, увеличение концевых потерь энергии и снижение внутреннего относительного КПДЦВД. Для снижения интенсивности вторичных течений предложено на торцевых стенках решетки профилей в межлопаточном пространстве в пределах пограничного слоя расположитьс малым шагом криволинейные ребра. Такие ребра предотвращают развитие поперечных течений и при этом не оказывают отрицательного влияния на значение профильных потерь энергии.