Диссертация (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 10

Пар высокого давления на выходе из парогенератора имеет температуру 600 °С и давление 260 бар. С указанными параметрами пар поступает в водороднуюкамеру сгорания высокого давления, куда также подаются водород и кислород в стехиометрическом соотношении. Пар на выходе из камеры сгорания имеет температуру 900 °С при давлении 250 бар. С этими параметрами он поступает в неохлаждаемый цилиндр высокого давления,на выходе из которого имеет температуру 500 °С при давлении 25 бар. Перед подачей в водородную камеру сгорания среднего давления основной поток пара из ЦВД смешивается с паром,охлаждающим цилиндр среднего давления, имеющим температуру 650 °С. На вход в цилиндрсреднего давления пар поступает с температурой 1600 °С при давлении 24 бара. Расширениепара в ЦСД происходит до атмосферного давления и температуры 840 °С.

С указанными параметрами он поступает в регенеративный парогенератор, где за счет отбора от него теплотыпроисходит генерация пара. После парогенератора пар с температурой 110 °С при давлении 1бар поступает в цилиндр низкого давления турбины, где расширяется до давления 0,05 бар ипри этом давлении поступает в конденсатор. Отличие турбоустановки долгосрочной перспективы, схема которой представлена на рисунке 1.34, состоит в более высокой начальной температуре пара, что вынуждает выполнить цилиндр высокого давления с паровым охлаждением.Расчетный КПД энергоблока с начальной температурой пара 900 °С составляет 73 %, а сначальной температурой 1600 °С – 75,6 %Компоновка оборудования водородного энергоблока представлена на рисунке 1.35.Рисунок 1.35 – Компоновка оборудования водородного энергоблока51Принципиально новым и одним из ключевых узлов водородной энергоустановки являетсяводородная камера сгорания (ВКС) или водородно-кислородный парогенератор (ВКПГ).В турбоустановках программы WE-NET планируется применять водородные камеры сгорания, предназначенные только для перегрева пара, генерируемого в отдельном от камеры сгорания агрегате – регенеративном парогенераторе.

В ВКС топливо – водород – предварительно перемешивается с балластирующим компонентом – водяным паром, после чего через завихрительпоступает в зону горения, куда подается и окислитель – кислород. Жаровая труба камеры сгорания охлаждается водяным паром. Эскизный проект камер сгорания высокого и среднего давления для рассмотренной выше турбоустановки представлен на рисунке 1.36 и рисунке 1.37.Результаты исследований и разработок в сфере создания водородно-кислородных парогенераторов, предназначенных для генерации перегретого пара из воды, представлены в работах[147, 172-176].

Конструктивная схема ВКПГ изображена на рисунке 1.38.Рисунок 1.36 – Эскиз водородной камеры сгорания высокого давленияРисунок 1.37 – Эскиз водородной камеры сгорания среднего давления52Рисунок 1.38 – Конструктивная схема водородно-кислородного парогенератораВКПГ состоит из трех основных узлов: смесительной головки, в центре которой помещенозапальное устройство; камеры сгорания, состоящей из корпуса и помещенной в него пламеннойтрубы; узла вспрыска балластной воды, камер испарения и смешения.

Газообразный водород Н2поступает в камеру подачи водорода и из нее – к множеству цилиндрических отверстий в огневой стенке смесительной головки, из которых направляется в зону горения внутри пламеннойтрубы камеры сгорания. В эту же зону из камеры подачи кислорода поступает кислород О2. Врезультате горения при стехиометрическом соотношении водорода и кислорода образуетсятеплоноситель при давлении 7 МПа и температуре 3327 °С. Этот теплоноситель, состоящий изпаров воды, локализуется внутри пламенной трубы камеры сгорания, выполненной из специальной бронзы с высокой теплопроводностью.

Изнутри и снаружи пламенная труба обтекаетсязащитной пленкой воды Н2О и H2O*.Образующийся пар не может быть использован из-за чрезмерно высокой температуры. Поэтому в него впрыскивают балластную воду Н2О**. Ее расход может быть более 65 % расходапара, причем ¾ этой воды вводят в начальное сечение камеры смешения. Вода смешивается сгорячим паром, испаряется, и температура пара на выходе из камеры смешения снижается донеобходимой.Водородно-кислородные парогенераторы и камеры сгорания выгодно отличаются от традиционных огневых парогенераторов и пароперегревателей тем, что в них может быть получентеплоноситель с существенно большей температурой, поскольку нагрев пара происходит посредством смешения, а также чрезвычайно компактными размерами, высоким КПД и отсутствием выбросов загрязняющих веществ.

Сравнительные характеристики ВКПГ с традиционными котельными агрегатами приведены в таблице 1.9.53Таблица 1.9 – Сравнительные характеристики традиционных и водородно-кислородных парогенераторовПараметрТопливоОкислительМаксимальная температура пара, °СУдельная тепловая мощность камерысгорания, МВт/м3Удельный объем установки, м3/МВтСпособ передачи тепла рабочему телуТемпература стенки парогенератора, °СКПДВремя запуска, сВыбросыТрадиционныйОрганическоеКислород воздуха600-6200,1-1Тип парогенератораН2/O2 парогенераторH2O21000-1700> 103(2-3)×102Через металлическую стенку600-8500,85-0,96> 104СО2, NOx, SOx, сажа< 10-2Смешение200 – пленочное охлаждение водой;500-1000 – охлаждение паром0,995< 50Нет1.3.4 Применение систем охлаждения в паровых турбинахСокращение стоимости высокотемпературных энергоблоков при переходе к суперсверхкритическим и ультрасверхкритическим параметрам пара может быть обеспечено за счет применения систем охлаждения теплонапряженных деталей, позволяющих понизить рабочую температуру металла до безопасного для эксплуатации уровня.

Особую актуальность охлаждениеприобретает при повышении параметров рабочего тела выше освоенного уровня рабочих температур материалов, что, как следует из проведенного анализа состояния разработок в сфересоздания материалов, и происходит при увеличении температуры пара свыше 700-720 °С.Впервые широкое применение системы охлаждения теплонапряженных деталей паровыхтурбин в отечественной практике нашли в турбинах энергоблоков сверхкритического давленияс относительно невысокой начальной температурой пара, равной 540 °С, мощностью 300-800МВт.

Критическими элементам турбин энергоблоков указанного типа являются высокотемпературные участки роторов и корпусов цилиндров высокого и среднего давления, в которых напереходных режимах наблюдается высокий уровень термических напряжений. В процессе длительной эксплуатации турбин было обнаружено явление постепенного нарастания прогиба роторов, обусловленного существованием различия в скорости ползучести металла в разных точках сечения вала, что приводило к возрастанию вибрации.

При начальных температурах пара до550 °С оказалось возможным с помощью применения систем охлаждения снизить рабочие температуры корпуса и ротора до 300-400 °С, что не только решило проблему деформации роторов, но и позволило продлить ресурс паровых турбин в 1,5-2,5 раза сверх установленного внастоящее время паркового ресурса [177-181]. Схема охлаждения статора и ротора турбины К300-240 ЛМЗ представлена на рисунке 1.39.

Охлаждающий пар подается через специальные отверстия в статорной части и, проходя через каналы, организованные в обоймах диафрагм, и раз-54грузочные отверстия в дисках, обеспечивает заградительное охлаждение корпуса и ротора турбины.Рисунок 1.39 – Схема охлаждения статора и ротора турбины К-300-240 ЛМЗАналогичным образом организовано охлаждение двухпоточных высокотемпературных цилиндров среднего давления (рисунок 1.40). Поскольку наиболее горячей зоной ротора среднегодавления является его средняя часть на участке между дисками первых ступеней, расположенных симметрично относительно оси паровпуска, то для обеспечения охлаждения этой зоны идисков первых ступеней предусмотрен раздельный подвод охлаждающего пара на центральныйучасток ротора и в камеры за первой ступенью каждого из потоков. Подача охлаждающего параза первые ступени проводится через диафрагмы вторых ступеней, что обеспечивает охлаждениедисков и диафрагм.Большое значение, определяющее надежность и экономичность работы системы охлаждения, имеет выбор источника охлаждающего пара.

Если для охлаждения ЦСД наиболее рациональным является использование отборного пара из цилиндра высокого давления, то выбор источника пара для охлаждения теплонапряженных деталей ЦВД является не столь тривиальнойзадачей. Охлаждающий пар может быть как отобран из котельного агрегата до его перегрева доуровня начальной температуры цикла, так и специально подготовлен в теплообменных аппаратах поверхностного или смешивающего типа [177, 182].55Рисунок 1.40 – Охлаждаемый участок двухпоточного цилиндра среднего давленияОдной из наиболее рациональных схем подготовки охлаждающего пара признана схема cпаро-паровым теплообменником (ППТО), представленная на рисунке 1.41. Для охлажденияЦВД используется свежий пар, отобранный за первым регулирующим клапаном и охлажденный до температуры 430 °С в паро-паровом теплообменнике.

В качестве охлаждающей среды вППТО используется пар из выхлопа ЦВД, который, охлаждая свежий пар противотоком, нагревается до температуры 435 °С и направляется в линию горячего промперегрева. Охлаждающийпар подводится к переднему концевому уплотнению и в диафрагму второй ступени ЦВД. Источником охлаждающей среды для ЦСД является пар из первого отбора ЦВД, который двумяраздельными паропроводами подводится к уплотнению и в диафрагму второй ступени ЦСД.Полученные результаты при проведении работ по продлению ресурса путем примененияохлаждения деталей корпусов и роторов паровых турбин, продемонстрировав высокую эффективность предложенных решений, нашли применение при разработке высокотемпературныхцилиндров высокого и среднего давления турбин с суперсверхкритическими параметрами пара[69, 71, 183, 184].56Рисунок 1.41 – Принципиальная схема системы принудительного парового охлажденияЦВД и ЦСДНа рисунке 1.42 приведены эскизы охлаждаемых проточных частей цилиндров высокого исреднего давления турбины мощностью 350 МВт с начальными параметрами пара p0 = 29,5МПа, t0 = 600 °С.