Диссертация (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 8

Вместес тем схема имеет и ряд недостатков, основными из которых являются необходимость увеличения жесткости металлоконструкций для размещения паровой турбины 1, обеспечение вибрационной надежности, установка двух генераторов, систем регулирования и смазки, сложностьтехнического обслуживания и ремонта. Все это требует специального технико-экономическогоанализа на последующих стадиях реализации проекта.В работах [109, 110] в целях сокращения длины дорогостоящих паропроводов предлагаетсяне вносить изменения в конструкцию основного оборудования, а установить башенный котельный агрегат не на нулевой отметке, а выполнить его заглубленным таким образом, чтобы выходные пакеты пароперегревателей оказались на уровне паровой турбины (рисунок 1.25). Применение такого конструктивного решения позволило бы сократить длину паропроводов острогопара с 261 до 171 м, а паропроводов горячей нитки пара промежуточного перегрева – с 253 до183 м.38Рисунок 1.25 – Компоновка энергоблока с заглубленным котельным агрегатом1.3.2 Пути снижения металлоемкости паровых турбинИзвестно, что увеличение единичной мощности энергоблоков приводит к снижению ихудельной металлоемкости, соответственно, и к уменьшению стоимости.

Большую роль приэтом играет паровая турбина. Зависимость между массогабаритными характеристиками и единичной мощностью турбин можно выявить на основе данных, представленных в таблице 1.8[111, 112], анализ которых свидетельствует о сокращении удельной массы турбоустановки с 2,3Удельная масса, кг/кВтдо 1,58 кг/кВт при увеличении единичной мощности с 300 до 1200 МВт (рисунок 1.26).2,52,32,11,91,71,5300400500600700800900100011001200Мощность паровых турбин, МВтРисунок 1.26 – Зависимость удельной массы турбоустановки от единичной мощности39Таблица 1.8 – Основные теплотехнические и конструктивные характеристики существующих паровых турбинПоказательК-100-90К-13012,8К-165-130К-200130К-22512,8К-255-162Завод-изготовительЛМЗУТЗЛМЗЛМЗЛМЗЛМЗК-330-240К-500-240 К-660-247 К-800-240(модерн.)ЛМЗЛМЗЛМЗЛМЗК-1200240ЛМЗК-1000-36 К-2000-32проектМЭИпроектМЭИНоминальная110168168210225255300525660800120010002000мощность, МВтНачальное давле8,812,812,812,7512,816,223,523,524,223,523,53632ние пара, МПаНачальная темпе535540540565540540540540537540540710760ратура, °СДавление промежуточного перенет2,732,732,312,43,53,663,84,23,343,57,25,5грева, МПаТемпература промежуточного перенет540540565540543540540565540540720760грева, °СРасчетный вакуумв конденсаторе,3,433,463,433,463,163,433,583,534,0кПаЧисло регенеративных отборов88777788899109параРасход пара, кг/c111108,3133,3165150194,4291,3458,3562680,51016,6692,51312,5Число цилиндров и1×1 + 1×1 1×1 + 1×1 1×1 + 1×1 1×1 + 1×1 1×1 + 1×2 1×1 + 1×2 1×1 + 1×2 1×1 + 1×2 1×1 + 1×2 1×1 + 1×21×1 + 1×2 1×1 + 1×1 1×1 + 1×2потоков+ 1×2+ 1×2+ 1×2+ 1×3+ 2×2+ 2×2+ 3×2+ 3×2+ 2×2+ 3×2КПД установки, %39,644,846,745,246,747,15352,6Удельная масса2,72,662,31,81,71,6251,58≈ 1,2≈ 1,15турбины, кг/кВтДлина последней66566096076596012009609601000960120012001200лопатки, мм40Снижение удельной массы турбоустановки означает снижение удельных капитальных затрат на создание энергетического оборудования, что делает создание мощных паротурбинныхэнергоблоков с экономической точки зрения более целесообразным.

Эффект снижения удельной массы объясняется унификацией наиболее металлоемких частей турбин, а также более низкой скоростью увеличения линейных размеров оборудования с ростом мощности. Рост единичной мощности паровых турбин ограничивается количеством выхлопов пара и пропускной способностью одного выхлопа. Предельным на данный момент количеством выхлопов является 6-8в зависимости от компоновки турбоагрегата, что определяет максимальную длину валопровода.При этом предельная площадь выхлопа лимитируется максимальной длиной рабочей лопаткипоследней ступени, которая в настоящий момент для быстроходных турбин отечественногопроизводства составляет 1200 мм, что обеспечивает площадь выхлопа, равную 11,3 м2.Пропускная способность единичного выхлопа цилиндра низкого давления определяется соотношением (1.1) [113]:∙∗∙к∙∙, (1.1)где Gк – массовый расход, кг/с;Сaz – осевая составляющая скорости за последней ступенью ЦНД, м/с;Vz – удельный объем на выхлопе ЦНД, м3/кг;Maz – число Маха;az – местная скорость звука, м/с;Fz – площадь выхлопа, м2.Число цилиндров низкого давления для мощных существующих паровых турбин по критериям вибрационной надежности валопроводов в настоящий момент достигло предельных значений и равно трем в турбинах перегретого пара ТЭС и четырем – во влажнопаровых турбинахАЭС [114, 115].

Увеличение числа ЦНД сверх этого значения приведет к необходимости создания двухвальных паровых турбин, что крайне нежелательно из-за высокой металлоемкости получаемых агрегатов.В историческом плане проблема повышения пропускной способности однопоточных ЦНДпоявилась еще 100 лет назад, когда паровые турбины стали широко использоваться для выработки электроэнергии и возникла практическая потребность в агрегатах большой мощности.Поскольку технологические возможности и прочностные характеристики сталей и сплавов вуказанный период времени не позволяли решить проблему увеличения пропуска пара через последние ступени конденсационных турбин традиционной конструкции, то в начале 20 в.

былизапатентованы различные конструктивные решения, не потерявшие своей актуальности и сего-41дня.В 1917 г. К. Бауманом была предложена двухъярусная ступень и на ее базе цилиндр низкого давления [116], конструкция которого позволяет увеличить суммарный пропуск пара черезцилиндр на 50 %, обеспечивая тем самым значительное увеличение единичной мощности турбины. Это решение нашло широкое применение в турбине К-200-130, однако, как показал опытэксплуатации, применение предлагаемой конструкции приводит к существенному снижениюэкономичности.

В результате, после того как была решена проблема с обеспечением надежности лопаток высотой более 960 мм, от использования ступени Баумана отказались.Вследствие низкого уровня экономичности и надежности конструктивное решение со ступенью Баумана стало промежуточным шагом в повышении предельной мощности паровых турбин. Стремительное развитие металлургии и повышение качества используемых сталей и сплавов в середине 20 в. позволило отказаться от применения сложных конструктивных решений иперейти к традиционному на сегодняшний день способу повышения пропускной способностиЦНД – наращиванию высоты лопатки последней ступени. Большая часть ныне существующегобыстроходного паротурбинного оборудования из мощностного ряда 300-800 МВт работает слопаткой последней ступени высотой 960 мм.

Стремление повысить мощность, а значит и пропускную способность, не сооружая дополнительных цилиндров, привело к созданию лопаткидлиной 1200 мм. Дальнейшим шагом является переход на лопатки длиной 1300-1500 мм. Проблемам разработки лопаток большой длины посвящены работы [117-122], где отмечается целыйряд технических сложностей, связанных с обеспечением необходимой прочности и аэродинамической эффективности ступеней, выполненных на базе таких лопаток, что вновь возродилоинтерес к цилиндрам низкого давления с полуторным выхлопом пара [123-130]. Одним из перспективных направлений реализации концепции двухъярусного выхлопа является применениедвухъярусных ступеней во всей проточной части цилиндра низкого давления, в развитии которой значительных успехов достигла научная группа НИУ «МЭИ» под руководством профессора Зарянкина А.Е.

[131-137].1.3.3 Применение водородно-кислородных камер сгорания для перегрева параЗначительная часть удорожания энергоблока с ультрасверхкритическими параметрами парасвязана с применением в котельном агрегате поверхностей нагрева, изготовленных из дорогостоящих жаропрочных сталей и сплавов. Кроме всего прочего, материалов, способных надежноработать длительное время в условиях высоких температур и давлений, пока не производится внеобходимых объемах не только отечественной промышленностью, но за рубежом. В связи сэтим перспективным способом осуществления перегрева пара представляется внешний по от-42ношению котельному агрегату перегрев в водородных камерах сгорания. Реализация такогорешения позволит не только применить в котельном агрегате освоенные марки материалов, нои сохранить традиционную компоновку оборудования, избежав при этом большого расхода жаропрочных материалов на изготовление высокотемпературных паропроводов в случае размещения водородных камер сгорания в непосредственной близости от паровой турбины.Преимуществом водородного перегрева является его экологическая чистота, поскольку основным продуктом сгорания водорода является водяной пар.