Диссертация (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 7

Одним из металлоемких узлов паротурбинной установки является ротор. Вес роторов цилиндров высокого и среднего давлениямощных паровых турбин составляет более 20 тонн. Материалы и конструкции роторов являются уникальными для каждого производителя. Роторы для УСКП блоков разработки компании30Toshiba изготавливаются сварными из никелевых сплавов и ферритных сталей, чтобы минимизировать использование дорогостоящего сплава на основе никеля в общей массе ротора. Центральная часть ротора, работающая в зоне высоких температур, выполняется из сплава на основе никеля, а участки, расположенные в зоне уплотнений и подшипниковых узлов – из менее до-Стоимость материала паропроводов,$млнрогостоящей ферритной стали (рисунок 1.15).732/760 °C40353025704/704 °C20151050Alloy617(2) Alloy740H(2) Alloy740H(1) Alloy617(2) Alloy740H(2) Alloy740H(1)$55/кг$77/кг$110/кгРисунок 1.14 – Стоимость материала паропроводов от температуры пара и марки сплаваРисунок 1.15 – Сварной ротор высокого давления турбины с УСКП пара Toshiba1.3 Возможные пути снижения стоимости перспективных энергоустановок1.3.1 Новые компоновочные решенияИспользование ультарсверхкритических параметров в современных угольных энергоблокахтребуют принятия специальных технических решений, связанных с изготовлением и трассировкой паропроводов острого пара и пара промежуточного перегрева.

Проведенные исследования31показали, что наилучшую прочность в блоках с УСКП обеспечивают паропроводы, выполненныеиз сплавов Alloy617 и Alloy740H (рисунок 1.16) [81].Предельно допустимаянагрузка, МПа300250200150100500500550Gr.91600650700750Температура, °С347Halloy617800alloy230850900alloy740Рисунок 1.16 – Зависимость предельно допустимой нагрузки различных сплавов от температуры параДля оценки возможных конфигураций системы трубопроводов на основе никеля был разработан специальный стенд. Испытательный стенд Научно-исследовательского института электроэнергетики (Electric Power Research Institute – EPRI, США) был первоначально спроектирован для блоков с одним промперегревом на параметры 685/705 °С мощностью 750 МВт. Впоследствии переоборудован для блоков с двухкратным промперегревом, при этом внутренниедиаметры труб составляли 250 мм – для основного паропровода и 467 мм – для паропроводапромпрегрева.

Длина каждой из труб имела протяженность 128 м от котла до турбины. Используя указанные размеры и предполагая эквивалентный объемный расход пара, были рассчитанытолщины стенок для пара с параметрами 704/704 °С и 732/760 °С, первый вариант из которыхблизок к предлагаемым 700 °С для европейского концепта блока, предложенного консорциумомUS DOE-USC. В таблице 1.7 показаны предполагаемые длины трубопроводов для указанныхразмеров, а также результаты расчета для разных вариантов сплавов.Из таблицы 1.7 следует, что использование труб меньшего диаметра на базе сплава 740Hпри температуре 704 °С позволяет создавать более протяженные по длине участки трубопроводов по сравнению со сплавом 617.

Точное отношение зависит от диаметра трубы. Также установлено, что система трубопроводов на базе сплава 740H составляет примерно 50 % от веса системы трубопроводов на базе сплава 617 независимо от конфигурации при той же температурепара (рисунок 1.17). Помимо этого, система трубопроводов на базе сплава 740H при параметрах32пара 732/760 °С имеет меньшую массу, чем системы трубопроводов из сплава 617 на параметры704/704 °С.Таблица 1.7 – Характеристики паропроводов блока УСКПРазмер главногоРазмер паропроводапаропроводапромперегреваГлавный Промпере- Главный Промпере- Диаметр Толщина Диаметр Толщинапаропроводгревпаропроводгревтрубы, мм стенки, мм трубы, мм стенки, мм617 (2)617 (2)704704248,9271,12467,422,9740 (2)740 (2)704704248,9235,56467,412,7740 (1)740 (1)704704353,0650,8660,417,8617 (2)617 (2)732732248,9296,52467,440,6740 (2)740 (2)732732248,9248,26467,425,4740 (1)740 (1)732732353,0668,58660,435,6Сплав (число труб)Температура, °СВес,кгДлинаучастка,м227,42108,548109,045361,453179,819179,647256256128256256128Рисунок 1.17 – Сравнение характеристик трубопроводов на базе сплавов 617 и 704При реализации проекта блока мощностью 660 МВт были проведены исследования по выбору оптимальных параметров и типоразмеров паропроводов острого пара и пара промежуточного перегрева.

В результате исследования влияния скорости пара в диапазоне 48-58 м/с припроектных значениях давления пара p0 = 38,5 МПа и температуры пара t0 = 710 °С получено оптимальное значение скорости пара в главном паропроводе, равное 55 м/с. Диаметр главного паропровода должен находиться в диапазоне 240-260 мм при толщине стенки 56-60 мм, диаметрпаропроводов промежуточного перегрева – 340-373 мм при толщине стенки 40-42 мм (рисунок1.18) [104].Другим важным вопросом является длина паропроводов.

Так, примерная суммарная длинаучастков паропроводов для энергоблоков 660-1300 МВт может составлять до 260 м. При этом,паропроводы выполняются из никелевых сплавов, стоимость которых может достигать $110 за1 кг [77]. В результате возникает актуальный вопрос сокращения длины участков паропроводов, соединяющих котел и паровую турбину.33Рисунок 1.18 – Протяженность участков паро- и трубопроводов энергоблока УСКП мощностью660 МВтКлассическая компоновка оборудования предусматривает размещение котла в котельномцехе, а паровой турбины, соответственно, в турбинном цехе на отметке +10 – + 20 м (в зависимости от структуры тепловой схемы и мощности энергоблока). Одна из наиболее распространенных компоновок, характерных для современных энергоблоков с повышенными параметрамипара с башенным котлом, представлена на рисунке 1.19.Компания Babcock и Wilcox предложила проект перевернутого котла, представленного нарисунке 1.20 [91].

Использование такой компоновки позволяет сократить почти на половинупротяженность паропроводов острого пара и пара промежуточного перегрева, уменьшив темсамым стоимость проекта.По пути снижения высоты расположения пароперегревательных поверхностей с целью расположения на более низкой отметке паросборных коллекторов для сокращения длины паропроводов острого и перегретого пара пошли и отечественные ученые. В работе [105] предложенаконструкция котельного агрегата U-образной компоновки (рисунок 1.21), в работах [106, 107] –M-образная компоновка (рисунок 1.22).Альтернативным решением могло бы стать размещение паровой турбины на верхнемуровне, исключив при этом протяженные участки. Размер и вес цилиндров высокого (ЦВД) исреднего давления (ЦСД) вполне бы подошли для такого решения, но цилиндр низкого давления (ЦНД) с конденсаторами, полными воды и соответствующими водоводами, не позволяютреализовать предложенную концепцию.34Рисунок 1.19 – Пример классической компоновки энергоблока с башенным котломРисунок 1.20 – Проект перевернутого башенного котла Babcock&Wilcox35Рисунок 1.21 – Пылеугольный котел U-образной компоновки на ультрасверхкритические параметры параРисунок 1.22 – Разрез котла M-образной компоновки на ультрасверхритические параметры пара36Для решения данной проблемы китайскими специалистами совместно с компанией Siemensразработан проект разноуровневой паротурбинной установки для энергоблока мощностью1350 МВт [43, 108] (рисунок 1.23).Рисунок 1.23 – Схема паропроводной обвязки и размещения цилиндров давления ПТУПаровая турбина проектируется на следующие параметры:- рабочий расход пара – 3229 т/ч;- максимальный расход пара – 3416 т/ч;- давление острого пара – 30 МПа, давление пара первого промперегрева – 9,17 МПа, давление пара второго промперегрева – 2,25 МПа;- температура острого пара – 600 °С, температура пара первого промперегрева – 600 °С,температура пара второго промперегрева – 600 °С;- температура охлаждающей воды – 19 °С.В данном техническом решении предлагается ЦВД и ЦСД турбины расположить рядом скотлом, либо на котле вблизи выпускных коллекторов.

При этом главный паропровод и длинасистемы паропроводов промперегрева будет сведена к минимуму (рисунок 1.24). В этом случаекаждая из турбоустановок комплектуется своим генератором и оборудованием.37Паровая турбина 1Паровая турбина 2Рисунок 1.24 – Компоновка блока с двухуровневой турбиной для энергоблока электрическоймощностью 1350 МВт с двойным перегревом параВ результате такой установки значительно сокращаются участки соединительных паропроводов и, соответственно, уменьшается стоимость обвязки, сокращаются гидравлические и тепловые потери в паропроводах, растет КПД энергоблока вплоть до 52,12 %, повышается надежность работы и гибкость в отпуске электроэнергии за счет установки двух генераторов.