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

В России находятся в эксплуатации 116 угольных ТЭС, количество установленных крупных блоков представлено в таблице 1.3 [20, 21].Большинство из них проработало 35-40 лет и имеет невысокие показатели надежности иэкономичности (электрический КПД блоков 30-36 %), низкий уровень автоматизации, высокиевыбросы NOX, SO2, твердых частиц, на многих станциях существуют проблемы с золоотвалами[22]. Данные по состоянию генерирующего оборудования представлены в таблице 1.4.18Таблица 1.3 – Количество установленных крупных энергоблоков№п/п12345Установленная электрическая мощностьблока, МВт800500300200150Количество блоков37283528Таблица 1.4 – Состояние генерирующего оборудования электростанций РоссииОбщее количеСрок эксплуатации от 30 до 50 летСрок эксплуатации более 50 летство агрегатов, КатоличествоМощность,Доля от общей КатоличествоМощность,Доля от общейшт.агрегатов, шт.ГВтмощности, % агрегатов, шт.ГВтмощности, %ГЭС51017322,656,81968,320,9Общее количеСрок эксплуатации до 20 летСрок эксплуатации от 20 до 40 летство агрегатов, КатоличествоМощность,Доля от общей КатоличествоМощность,Доля от общейшт.агрегатов, шт.ГВтмощности, % агрегатов, шт.ГВтмощности, %АЭС395520,43419,579,6ВсегоСрок эксплуатации от 30 до 50 летСрок эксплуатации более 50 летМощМощМощКотлов, Турбин,Котлов, Турбин,Котлов, Турбин,ность,ность, Доля, %ность, Доля, %шт.шт.шт.шт.шт.шт.ГВтГВтГВтТЭС31362180145,3184795575,65266936010,27Большинство отечественных ученых сходятся во мнении, что сложившаяся ситуация с состоянием генерирующего оборудования [22-26] и энергомашиностроительного сектора [27, 28],неспособного обеспечить потребности энергетики в современном оборудовании в необходимыхобъемах, создает угрозу национальной безопасности России в силу катастрофической зависимости от импорта энергетических технологий.По этой причине перед отраслью стоят следующие стратегические задачи:- разработка современных энергоэффективных экологически чистых технологий;- создание промышленного производства энергооборудования нового поколения;- повышение эффективности тепловых электростанций путем вывода из эксплуатации старого низкоэкономичного оборудования и замена его перспективным, обеспечивающим радикальное снижение затрат на производство электроэнергии и тепла;- снижение удельного расхода топлива и штатного коэффициента для оборудования, которое остается в эксплуатации;- уменьшение выбросов в окружающую среду;- уменьшение ремонтных затрат.Исследования в области развития российской электроэнергетики, рассматривая перспективы применения тех или иных технологий для угольных электростанций в качестве одной из основных, прогнозируют применение паротурбинных энергоблоков с суперсверхритическими и19ультрасверхкритическими параметрами пара [29, 30].

Энергетическая стратегии России на период до 2030 г. предусматривает увеличение доли использования угля для производства электроэнергии с применением технологий, обеспечивающих КПД выработки 42 % и более, чтосвидетельствуют об ориентированности на внедрение современных технологий угольной генерации. Согласно разработанной дорожной карте российской технологической платформы Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности уже с 2021 г. планируется освоение новых высокоэффективных энергоблоков с ультрасверхкритическими параметрами пара,обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД свыше 50 %.Рисунок 1.5 наглядно демонстрирует эволюционное развитие паротурбинных технологийпроизводства электроэнергии в мире. Из приведенных данных следует, что если период с 2000по 2015 г.

был периодом активного развития и освоения энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами пара, то на данный момент эту технологию можно считать уже освоенной.Необходимость преодоления барьера КПД в 50 % определила новые вершины – для этого температура острого пара должна превышать t0 = 700 °С, а давление находиться на уровне p0 = 3235 МПа [31, 32].

В настоящее время страны-лидеры в производстве энергетического оборудования решают задачу перехода к ультрасверхкритическим параметрам пара. Стоит отметить,что отечественная энергетическая и энергомашиностроительная отрасли, являясь в период с1960 по 1980 г. одними из мировых лидеров, освоили энергоблоки мощностью до 1200 МВт сосверхкритическими параметрами пара и создали пилотную установку с турбиной СКР-100 с суперсверхркритическими параметрами пара, находившуюся в опытной эксплуатации на протяжении 15 лет [33, 34, 35, 36].Рисунок 1.5 – Эволюция параметров паросиловых электростанций201.2 Состояние разработок в области создания энергетических комплексов с повышеннымитехнико-экономическими характеристикамиПереход на повышенные параметры пара приводит к удорожанию энергетической установки в результате применения дорогостоящих жаропрочных материалов.

В связи с этим совершенствование основного и вспомогательного оборудования энергоблока в целях обеспечениямаксимального КПД каждого из агрегатов и, как следствие, КПД блока является одной из важнейших задач. По оценкам, представленным в работе [21], за счет совершенствования котельного, турбинного и вспомогательного оборудования, а также оптимизации тепловой схемы КПДугольных энергоблоков может быть увеличен с 37 до 42 %.В указанных направлениях совершенствования при переходе к энергоблокам с суперсверхкритическими параметрами пара проведено большое количество исследований как отечественными, так и зарубежными учеными.

В части совершенствования тепловых схем энергоблоков сССКП научные изыскания посвящены исследованию влияния структуры тепловой схемы и выбору оптимальных параметров, обеспечивающих максимальный уровень термодинамическойэффективности энергоблока [37-42]. С повышением параметров пара значительный интереспредставляет схема со снабжением регенеративных перегревателей паром от турбины собственных нужд, в которую пар поступает из холодной нитки первого промежуточного перегрева (рисунок 1.6).

Приведенные в [40] результаты свидетельствуют о перспективности такойсхемы для высокотемпературных энергоустановок, так как ее использование позволяет снизитьнеобратимость процессов при подогреве питательной воды в регенеративных подогревателях,за счет чего обеспечивается повышение КПД энергоблока на 0,6 %, что является весьма существенным.Разработка тепловых схем тесно взаимосвязана с техническими возможностями и ограничениями основного и вспомогательного энергетического оборудования.

Особенно это затрагивает основное оборудование блока. Исследования, направленные на создание котельной техники для энергоблоков с новыми параметрами пара, в основном рассматривают комплекс работ,связанный с подбором потенциальных жаропрочных материалов для поверхностей нагрева,разработкой новых материалов и проведением их испытаний [43]. К настоящему моменту различными энергомашиностроительными компаниями предлагаются эскизы конструкций новыхэнергетических котлов на ультрасверхкритические параметры пара.

Компанией Alstom Powerпредложена схема использования сталей различных классов для изготовления поверхностейнагрева котельного агрегата П-образной компоновки на параметры пара 35 МПа/730 °С/760 °С.Эскиз конструктивного облика котельного агрегата представлен на рисунке 1.7.21Рисунок 1.6 – Тепловая схема энергоблока ССКП с турбиной собственных нуждиспарительныеповерхностипароперегревательные поверхностиэкономайзерРисунок 1.7 – Эскиз конструктивного облика котельного агрегата на УСКП паракомпании Alstom Power22Среди материалов, которые потенциально могут быть использованы для создания новыхэнергетических котлов на УСКП пара в части изготовления высокотемпературных поверхностей нагрева (отмечены красным на рисунке 1.7), выделяют следующие сплавы: Inconel 617, Inconel 740H, HCM 12, HR 120, HR6W [43].

Максимальная рабочая температура данных материалов должна составлять 760 °С. Разработка химических составов и технологий изготовлениясплавов ведется в рамках международных научно-исследовательских программ AD 700,COMTES 700, MARCKO 700, активное участие в которых принимают ведущие энергомашиностроительные компании. На текущий момент данные программы находятся в стадии проведения натурных испытаний на экспериментальных ТЭС. Так, на тепловой электрической станцииAmager были установлены опытные панели из сплава 617 и стали НСМ 12 (рисунок 1.8). Обепанели, представляющие собой оребренные змеевики, располагаются в верхней части на фронтовой стене топочной камеры. В Дании (ТЭС Esbjerg) изготовлена испытательная панель иззмеевиков, рассчитанных на температуру 720 °С [43].

В рамках проекта MARCKO DE2 вг. Штутгарте специалистами Alstom Power проведены работы по сварке трубопровода с большой толщиной стенки из сплава 617.Рисунок 1.8 – Опытная панель из стали 617 и стали HCM12В части создания паротурбинных установок большинство разработчиков и исследователейтрадиционно связывают возможности повышения КПД с использованием трехмерных методикрасчета, совершенствованием турбинных решеток, сокращением утечек за счет улучшения характеристик систем уплотнений, совершенствованием систем парораспределения, совершенствованием внутренних паровых трактов турбины (входных и выходных диффузоров, переходных патрубков), применением систем влагоудаления [44-62]. Из перечисленных направленийсовершенствования при повышении начальных параметрах пара особую актуальность приобретает совершенствование клапанных систем ввиду увеличения начального давления и возрастания нагрузок, обусловленных ростом абсолютных значений пульсаций давления, величина ко-23торых может достигать 10-15 % от начального давления [63, 64], а также оптимизация периферийных обводов сопловых и рабочих лопаток с малой относительной высотой в целях снижения концевых потерь энергии, что обусловлено уменьшением относительной высоты решетокцилиндров высокого давления из-за сокращения объемного расхода пара [65, 66].Несмотря на большое внимание, уделяемое способам повышения аэродинамической эффективности проточной части, основная часть исследований, посвященных разработке паровыхтурбин для высокотемпературных энергоблоков, как и в котельной технике направлена на подбор соответствующих материалов, способных работать при высоких температурах пара, оценкуресурса, а также на разработку технических решений, обеспечивающих снижение рабочих температур деталей и уменьшение их количества [67-72].Во многом освоение и скорость перехода к новым параметрам зависит от создания новыхвысокотемпературных сплавов для экранных поверхностей котлов, пароперегревателей и трубпромежуточного пароперегревателя, толстостенных коллекторов и паровых турбин и их стоимости.

На данный момент существует две основные программы развития технологий созданияблоков с УСКП: Thermie в Евросоюзе [73, 74] и Boiler Materials for USC Coal Power Plants вСША [75], стремящиеся создать энергоблоки с параметрами пара p0 = 375 бар, t0 = 700/720 °С, иp0 = 379 бар, t0 = 730/760 °С соответственно.Взаимосвязь развития новых технологий генерации и металлургии хорошо представлена вработе [76], авторы которой установили взаимосвязь между параметрами пара паротурбинныхустановок и появлением новых материалов (рисунок 1.9).Мембранный экранПаропроводПаросборный коллектор2010Ni сплавыHCM 12,Ni сплавыNi сплавы2005NF12, SAVE12,12CrCoM o19989-12% Cr Аустенитные стали7CrM oVTiB10-10,HCM 2SE911, P92, P1221995X20 CrM oV12-1 Аустенитные стали13CrM o4-4260550570270580600290600620300630650350700720260550570270580600290600620X20 CrM oV12-1 P91300630650350700720260550570270580600290600620300630650350700720бар°C°CРисунок 1.9 – Стадии развития материалов и соответствующее увеличение параметров пара241.2.1 Материалы для высокотемпературных элементов энергоблоков сультрасверхеритическими параметрами параНаряду с важнейшими вопросами выбора структуры и параметров тепловых схем энергоблоков УСКП и проработки конструктивной реализации основного оборудования, определяющей уровень тепловой экономичности энергетических комплексов, серьезное внимание уделяется проблеме создания материалов и технологий их обработки.