Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 9

Изменение расхода пара оказывает влияние на высоты лопаток, внутренний диаметр корпусов и, как следствие, толщину их стенок, на необходимую пропускную способность выхлопных отсеков и их количество. Выявленный характер измененияуказанных характеристик является основой разработки моделей оценки металлоемкости деталей и узлов паровой турбины. Примеры полученных математических выражений c (4) по (7)для определения массы корпусов, соплового и рабочего лопаточного аппарата цилиндра высокого давления в зависимости от начальных параметров пара и его расхода выглядят следующим образом:ЦВДкорп.внешρст ∙ 1,6453 ∙ ln4,45990,4586 ∙ ln1,2330,4035 ∙ ln1,32892∙∙ϑ∙π∙ϑ∙π∙1,32892кк∙∙π40,42 ∙∙ 0,4586 ∙ ln2 ∙ σ 0,42 ∙1,2333(4)∙ 10 ,0,48 ∙ρст ∙ρст ∙з.пр14,5866,ЦВДла.раб2 ∙ρст ∙ 2,6344 ∙ ln0,4035 ∙ЦВДла.соплЦВДст1,23330,4586 ∙ lnЦВДкорп.внутр0,2 ∙ЦВДстз.пр∙∙π4∙ 0,4035 ∙ ln2∙σ1,3289(5)∙ 10 ,0,0141 ∙0,0113 ∙ 4 ∙ 10∙0,0001 ∙ 48,933(6),2кк0,0141 ∙0,0113 ∙ 4 ∙ 10∙0,0005 ∙ 72,19 ∙,∙, (7)где ρст – плотность стали, кг/м3;G – расход пара, кг/с;nстЦВД – количество ступеней в цилиндре высокого давления, шт.;Kз.пр – коэффициент запаса прочности;p – расчетное давление, МПа;σ – допустимое напряжение материала, МПа;С – скорость пара, м/с;ϑ – удельный объем пара, м3/кг;rк – корневой радиус ступени, мм;i – номер ступени.Математические выражения, разработанные для оценки массы других деталей и узлов паровой турбины, котельной установки, главных паропроводов, водородно-кислородной камерысгорания, приведены в диссертации.На основе совокупности разработанных моделей оценки металлоемкости с учетом ценыматериалов и затрат, связанных с осуществлением технологических операций, были установлены зависимости стоимости создания высокотемпературной паровой турбины, котельного32агрегата, высокотемпературных паропроводов, водородно-кислородного пароперегревателяот начального давления и температуры пара, а также его расхода.На рисунках 24 и 25 в качестве иллюстрации в виде семейства кривых представлены результаты математического моделирования, характеризующие изменение стоимости созданиявысокотемпературной паровой турбины от начальных параметров пара и его расхода соответственно.

Аналогичные зависимости получены для другого оборудования, претерпевающегосущественные изменения при увеличении начальных параметров и расхода пара.Стоимость создания паротурбиннойустановки, млрд руб.5,85,65,45,25,04,84,64,44,2540570600630t0, °С660690720p0, МПа:23,52628303235Рисунок 24 – Зависимость стоимости создания паротурбинной установкиот начальных параметров параСтоимость создания паротурбиннойустановки, млрд руб.8,07,57,06,56,05,55,04,54,06507508509501050G, кг/с11501250135023,5/54026/58030/62032/66035/720p0/t0, МПа/°C:Рисунок 25 – Зависимость стоимости создания паротурбинной установки от расхода параНа основе данных, полученных в ходе моделирования стоимости основного энергетического оборудования паротурбинных высокотемпературных энергоблоков, установлены зависимости между уровнем начальных параметров пара и величиной затрат на создание высокотемпературных энергетических комплексов.33Стоимость создания энергоблока,млрд руб.На рисунке 26 представлены кривые изменения стоимости для угольных паротурбинныхэнергоблоков при изменении начальных параметров пара.

Изменение давления пара оказываеттем более существенное влияние на стоимость создания энергетического комплекса, чем вышеуровень начальной температуры. Так, при начальной температуре пара 540 °С рост давленияс 23,5 до 35 МПа приводит к увеличению стоимости на 1,6 %, а при увеличении температурыдо 720 °С аналогичный рост давления приводит к удорожанию на 4,9 %. Увеличение температуры с 540 до 720 °С при одновременном росте давления с 23,5 до 35 МПа приводит к увеличению стоимости создания энергетического комплекса на 20,5 % – с 57,6 до 69,4 млрд руб.69,567,064,562,059,557,0540560580600620640660680700720t0, °Cp0, МПа:23,52628303235Рисунок 26 – Зависимость стоимости создания энергоблока от начальных параметров параРазработанные модели оценки стоимости оборудования позволили определить экономические эффекты от применения новых технических решений, направленных в том числе наснижение стоимости высокотемпературных энергетических комплексов (таблица 2).

Установлено, что применение предложенных технических решений позволяет снизить стоимостьэнергетического комплекса на 10,6 млрд руб. Таким образом, стоимость энергоблока УСКП сприменением новых решений приближается к стоимости традиционных энергоблоков сосверхкритическими параметрами пара.Проведено исследование влияния применения новых технических решений на финансовоэкономические и инвестиционных показатели. Определены значения дисконтированногосрока окупаемости и чистого дисконтированного потока платежей для проектов создания высокотемпературных энергетических комплексов с различным составом реализованных технических решений. Полученные результаты приведены на рисунке 27.

Показано, что применениепредложенных в работе технических решений уменьшает стоимость создания высокотемпературных энергетических комплексов, обеспечивая тем самым уменьшение дисконтированного срока окупаемости с 27,5 до 10 лет и увеличение чистого дисконтированного потока платежей с 0,6 до 10,3 млрд руб.Аналогичные исследования с использованием разработанных математических моделей иновых технических решений проведены для гибридной АЭС, особенностью которой являетсявведение дополнительного перегрева пара на выходе из реактора с 270 до 620 °С за счет сжигания углеводородного топлива.

Предложенное в работе решение сопряжено не только с необходимостью установки котельного агрегата со всеми вспомогательными системами, но такжеи с удлинением паропроводов и заменой их материала на высоколегированную жаропрочнуюсталь, модернизацией турбоагрегата. Несмотря на обширный перечень изменений, которые34необходимо реализовать для создания гибридной АЭС, совокупные затраты на строительствотакого комплекса оказываются существенно ниже по сравнению с сооружением второго энергоблока АЭС аналогичной мощности. Введение дополнительного перегрева увеличивает мощность АЭС с 1 до 2 ГВт, при этом стоимость дополнительного оборудования существеннониже, чем строительство второго атомного энергоблока с реактором ВВЭР-1000.

При принятых параметрах пара прирост стоимости атомного энергоблока составляет 11,4 млрд рублей.Стоимость киловатта установленной мощности гибридной АЭС мощностью 2000 МВт с перегревом до 620 °С составляет 65,5 тыс. руб./кВт.301227,5251081920181561513,510410520,6012,73,15,15,910,3234560ТехнологияРисунок 27 – Финансово-экономические показатели реализации проектов созданияперспективных высокотемпературных энергетических комплексовДисконтированный срок окупаемости, летЧистый дисконтированный поток платежей,млрд руб.Таблица 2 – Экономические эффекты от применения предложенных технических решенийСнижение№Технология и совокупностьСтоимость,стоимости,п/ппримененных технических решениймлрд руб.млрд руб.Угольный паротурбинный энергоблок УСКП в традиционном169,36–исполненииУгольный паротурбинный энергоблок УСКП с горизонталь268,880,48ным котломУгольный паротурбинный энергоблок УСКП с горизонталь368,570,31ным котлом и двухъярусным ЦНДУгольный паротурбинный энергоблок УСКП с горизонталь466,931,64ным котлом, двухъярусным ЦНД и охлаждаемой турбинойУгольный паротурбинный энергоблок УСКП с горизонталь5 ным котлом, двухъярусным ЦНД, охлаждаемой турбиной и66,250,68применением новой методики проектированияГибридный энергетический комплекс с водородным перегре6 вом пара, двухъярусным ЦНД, охлаждаемой турбиной и при58,797,46менением новой методики проектирования7 Угольный паротурбинный энергоблок СКП57,63–35Выводы1.

Разработана совокупность научно-обоснованных технических решений по выбору параметров рабочего тела, структуры тепловых схем, конструкции элементов основного оборудования, обеспечивающих значительное уменьшение металлоемкости и изменение структурыметаллозатрат используемых конструкционных материалов и, как следствие, снижение стоимости высокотемпературных энергетических комплексов при сохранении максимально возможных показателей эффективности:- новая компоновка пылеугольного котельного агрегата с горизонтально расположеннойтопочной камерой, обеспечивающая сокращение длины паропроводов острого пара и парапромежуточного перегрева в 2,5-3 раза по сравнению с традиционной компоновкой;- конструктивная схема цилиндра низкого давления с двухъярусной проточной частью повышенной пропускной способности, применение которой позволяет снизить удельную металлоемкость быстроходных паровых турбин с 1,57-2,30 до 1,23-2,08 кг/кВт для диапазонамощности 300-1200 МВт;- способ реализации перегрева пара свыше температуры 540-600 °С не в поверхностяхнагрева котла, а в водородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственной близости от паровой турбины, что обеспечивает сокращение доли использования жаропрочных материалов при создании высокотемпературных энергоблоков и, как следствие,снижение их стоимости на 11,3 %;- схема перспективного высокотемпературного энергетического комплекса с охлаждаемой паровой турбиной, позволяющая сократить расход дорогостоящих жаропрочных материалов и тем самым снизить стоимость паровой турбины на 28,5 %, обеспечив при этом КПДвыработки электрической энергии, равный 48,1 %, что на 0,4 % ниже по сравнению с неохлаждаемой турбиной.2.