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

Указанный факт предоставляетэтому виду топлива не только экологическое преимущество, но и в случае сжигания его с кислородом позволяет использовать продукты сгорания (водяной пар) для выработки электроэнергии, направив их в паровую турбину. Кроме того, при таком способе получения водяного параего максимальная температура не ограничивается жаропрочностью используемых материалов,как это происходит в паровых котлах, что позволяет существенно увеличить начальную температуру пара на входе в паровую турбину и тем самым достигнуть высокого КПД энергоустановки.В литературе рассматривается два вида энергоустановок, использующих водородное топливо:1) гибридные энергоблоки, в которых парообразование происходит в парогенераторах, использующих теплоту сгорания органического [138, 139, 140] или ядерного топлива [141-146];2) энергоустановки, использующее только водородное топливо [147-155].Принципиальная схема гибридного энергоблока и его термодинамический цикл представлены на рисунке 1.27.Генерация пара происходит в парогенераторе, после чего пар направляется в водородныйпароперегреватель (ВПП), где происходит сжигание водорода с кислородом при стехиометрическом составе смеси, после чего продукты сгорания (высокотемпературный водяной пар) смешиваются с основным паровым потоком, идущим от парогенератора.

После перегрева в ВППвысокотемпературный пар подается на турбину. В указанной установке производство водородаи кислорода осуществляется методом электролиза воды, после чего газы сжимаются в компрессорах и закачиваются в емкости хранения, из которых и поступают к ВПП в необходимом количестве. Дополнительная работа, совершаемая рабочим телом в цикле, представленном в T-Sкоординатах, показана заштрихованной областью Д. Процессы расширения пара в турбине безводородного перегрева пара и в случае его применения показаны на h-S диаграмме.43Рисунок 1.27 – Принципиальная схема и термодинамический цикл паротурбинной установки сводородным перегревом параНа рисунке 1.28 представлены принципиально возможные варианты применения водородного перегрева пара на атомных электростанциях, предусматривающие перегрев насыщенногопара, генерируемого в ядерной паропроизводящей установке (ЯППУ), в водороднокислородных пароперегревателях.Водородный перегрев пара в данном случае предполагается применять в периоды прохождения пиков нагрузки в энергосистеме.

В случае использования схемы, представленной на рисунке 1.28 а, увеличение мощности и покрытие электрической нагрузки предполагается производить за счет перегрузочной способности базовых паротурбинных АЭС путем регулируемогоподогрева насыщенного пара до необходимой температуры перегрева. По данным расчета коэффициент полезного использования водорода в указанной схеме в случае перегрева пара до565 °С достигает 65 %.В схемах, представленных на рисунке 1.28 б и рисунке 1.28 в, полученный в ВПП перегретый пар направляется в сателлитные турбины, параллельно подключенные к основной турбине.При всех нагрузках тепловая мощность реактора и расход пара поддерживаются постоянными,поэтому открытие дроссельных клапанов, установленных на линии подачи пара в основную исателлитную турбины, приводит к изменению расхода пара через проточную часть, а значит и кизменению общей мощности турбоагрегатов.

Увеличение расхода пара через сателлитную тур-44бину при одновременном снижении его через основную турбину сопровождается ростом общеймощности энергоустановки, благодаря чему становятся возможными плавное регулированиемощности и покрытие графика электрической нагрузки.а) схема с перегревомпара перед основной турбинойб) схема с перегревом параперед сателлитной турбинойв) схема с сателлитной турбиной сдвойным водородным перегревомРисунок 1.28 – Схемы перегрева насыщенного пара в паротурбинных установках АЭС и процессы расширения пара в турбинахПовышение температуры пара перед сателлитной турбиной до 565 °С позволяет при расходе пара, равном 0,5 полного расхода, развить максимальную мощность. При этом согласно расчетам коэффициент полезного использования водорода составляет около 70 %. Применение жев сателлитной турбине промежуточного перегрева пара до той же температуры позволяет достигнуть КПД использования водорода 75 %.В работах [144, 156-160] рассматриваются вопросы использования водорода в качестве аккумулятора энергии на атомных электростанциях.

Предлагается осуществлять производствоводорода методом электролиза в периоды провала электрической нагрузки с последующимхранением его в емкостях под давлением, а в периоды максимума потребления электроэнергиив энергосистеме вырабатывать электроэнергию путем повышения начальной температуры параперед турбиной АЭС за счет теплоты сгорания водорода, увеличивая тем самым вырабатываемую мощность. Принципиальная тепловая схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом представлена на рисунке 1.29.45Рисунок 1.29 – Принципиальная схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексомИспользование водородных энергетических комплексов на паротурбинных влажнопаровых АЭС для увеличения температуры рабочего тела приводит к повышению их эффективности.

Эффективность использования водородного топлива в цикле АЭС (эффективностьвыработки пиковой электроэнергии в цикле АЭС) может составить 71,9-80,6 %; эффективностьиспользования «провальной» электроэнергии – 38,9-43,6 %. При этом прирост абсолютногоэлектрического КПД брутто энергоблока АЭС может достигать 0,9-7,3 %; прирост абсолютногоэлектрического КПД нетто энергоблока АЭС – 0,7-7,0 %.В работах [147, 161-168] рассматриваются вопросы применения водородных пароперегревателей в составе гибридных энергетических комплексов с целью повышения начальной температуры пара на входе в турбину уже до 1500 °С.

В ходе проведения исследований рассматриваются различные варианты реализации термодинамического цикла гибридных энергоустановок вчасти организации перегрева пара. Проведены исследования схем без промежуточного перегре-46ва, а также схем с одним, двумя и тремя перегревами пара при различных уровнях перегрева.Один из вариантов исследованных схем и соответствующий цикл в Т-S координатах представлены на рисунке 1.30. Температура пара на выходе из котельной установки, работающей на органическом топливе, в рассматриваемом варианте составляет 600 °С, а дальнейший перегревосуществляется в водородно-кислородной камере сгорания, где температура повышается до750-1500 °С.а) тепловая схемаб) термодинамический циклРисунок 1.30 – Гибридная энергоустановка с водородным перегревом параВ результате проведенных исследований установлено, что применение двукратного промежуточного перегрева пара до 1500 °С обеспечивает повышение тепловой экономичности с 42 до63,6 %, что почти более чем на 3 % превосходит лучшие образцы парогазовых установок с аналогичным уровнем начальной температуры рабочего тела.

Стоит отметь высокий достигнутыйэффект в повышении экономичности, несмотря на значительное упрощение в указанных работах тепловых схем гибридных энергоустановок в части организации системы регенеративногоподогрева питательной воды. Существенным способом дальнейшего повышения экономичности при сохранении уровня начальной температуры является применение развитой системы регенерации тепла, что нашло отражение в последующих работах авторов и защищено рядом патентов [169, 170].В работах [138, 161, 162] также изложены предложения в части практической реализациивысокотемпературных паротурбинных энергоустановок.

В частности, разработаны обоснован-47ные научно-технические предложения по формированию конструктивно-компоновочных схемпаровых турбин мощностью до 25 МВт.В работах [139, 140, 171] исследуются вопросы альтернативного водородному перегревуспособу повышения параметров пара, заключающемуся в использовании в качестве топлива неводорода, а природного газа. В работе [139] предложена тепловая схема газопаротурбиннойустановки, исследования которой показали, что перегрев пара до 1250 °С при давлении 30 МПапри последующем промежуточном перегреве до 1500 °С обеспечит достижение КПД энергоблока 54,4 %. При этом тепловая эффективность высокотемпературной надстройки составит64,1 %.

Конструкция высокотемпературной газопаровой турбины мощностью 300 МВт представлена на рисунке 1.31.Рисунок 1.31 – Высокотемпературная газопаровая турбина мощностью 300 МВтКроме использования водородного топлива в гибридных энергоустановках существуют ипредложения по создания автономных энергоблоков, работающих только на водородном топливе.На рисунке 1.32 изображена тепловая схема турбоустановки с противодавлением, производящей как электроэнергию, так и тепло, работающей только на водородном топливе.Многократный промежуточный перегрев пара повышает тепловую экономичность паротурбинных установок.

Для осуществления процесса, изображенного на рисунке 1.32 б, необходимо паровой поток неоднократно выводить из турбины и после восстановления его температуры вновь вводить в турбину. Такой многократный процесс промежуточного перегрева парана обычных ТЭС и АЭС практически недостижим из-за неизбежно больших потерь давления изначительных капитальных вложений. Совмещение камеры водородно-кислородной камерысгорания и промежуточного пароперегревателя смешивающего типа позволяет расположить48перегреватель непосредственно на турбине.

Это не только минимизирует потери давления парапри переходе его из одной части турбины в другую, но и предельно упрощает конструкциюэнергетической установки с многократным промежуточным перегревом пара.а) тепловая схемаб) термодинамический цикл в в) термодинамический цикл в hT-S координатахS координатахРисунок 1.32 – Тепловая схема ПТУ и ее термодинамический циклКак уже было отмечено, сжигание водорода в кислородной среде позволяет создать паротурбинную установку с начальной температурой пара, близкой или даже превышающейначальную температуру, достигнутую на данный момент в газотурбостроении и составляющую1400-1700 °С [147-155]. Рассмотрим эти высокотемпературные установки на примере водородных энергоблоков, разрабатываемых в рамках программы World Energy Network (WE-NET).

Врамках указанной программы разработаны два варианта водородного энергоблока – на ближайшую и на дальнюю перспективу, отличающиеся в основном начальной температурой параперед цилиндрами высокого давления. Тепловые схемы указанных энергоустановок представлены на рисунке 1.33 и рисунке 1.34.Проектирование установок на ближайшую перспективу предполагает адаптацию существующих технологий с некоторым незначительным их усовершенствованием. Создание перспективных водородных энергоустановок предполагает использование технологий, требующихвсестороннего развития.

Основываясь на этих предположениях, были выбраны следующие характеристики водородных энергоблоков: одноступенчатый перегрев пара; регенеративный теплообменник-парогенератор, производящий пар суперкритических параметров, который работает при атмосферном давлении; в турбоустановке ближайшей перспективы начальная температура пара не должна превышать 900 °С, а давление – 200-300 бар; в турбоустановке долгосрочной перспективы начальная температура должна достигать 1600 °С при давлении на входе в49турбину 200-300 бар; температура пара после промежуточного перегрева в обоих вариантахдолжна быть равна 1600 °С, а давление должно находиться в диапазоне от 17 до 25 бар.Рисунок 1.33 – Тепловая схема водородного энергоблока (ближайшая перспектива)Рисунок 1.34 – Тепловая схема водородного энергоблока (долгосрочная перспектива)50Процесс генерации пара в обеих рассматриваемых турбоустановках происходит в регенеративном парогенераторе, в который питательная вода подается двумя питательными насосами –низкого и высокого давления.