Диссертация (781919), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Одной из проблем для столь высокого повышения температуры пара является то, что в конденсатор начинаетпоступать перегретый пар. Это хорошо видно из приведенного на рисунке 2.42 процесса расширения пара в турбине.Рисунок 2.42 – Процесс расширения пара в турбине гибридного энергоблока с двукратным водородным перегревом параУказанное обстоятельство приводит к росту потерь теплоты в конденсаторе, а также создает трудности при проектировании цилиндров низкого давления турбины, поскольку при переходе пара из насыщенного состояния в перегретое происходит резкий рост его удельного объема, что требует столь же резкого увеличения выходной площади цилиндров низкого давления.Существует два решения указанной проблемы: либо снижение температуры пара перед цилиндром низкого давления путем установки промежуточного охладителя пара, либо ограничение температуры пара промежуточного перегрева той величиной, при которой степень сухостипара за последней ступенью турбины не превышает 100 %.На рисунке 2.43 представлена принципиальная тепловая схема гибридного энергоблока свысокотемпературной турбиной и промежуточным пароохладителем.
Пароохладитель служит,как уже было отмечено, для снижения температуры пара перед цилиндром низкого давления доуровня, обеспечивающего степень сухости за последней ступенью турбины не более 100 %.127Рисунок 2.43 – Тепловая схема гибридного энергоблока с двукратным водородным перегревомпара и промежуточным пароохладителемОхлаждение пара в промежуточном пароохладителе осуществляется потоком части питательной воды, которая в обход первого по ходу воды подогревателя высокого давления поступает в пароохладитель, где нагревается, охлаждая пар, после чего смешивается с основным потоком перед вторым подогревателем высокого давления.Процесс расширения пара в турбине с двойным водородным перегревом пара и промежуточным охладителем в h-S координатах представлен на рисунке 2.44.На рисунках 2.45 и 2.46 показаны графики зависимости КПД ηбрутто и электрической мощности Nэ гибридного энергоблока с двумя водородными перегревами пара и пароохладителем взависимости от температуры перегрева острого пара t0 и температуры пара промежуточного перегрева tпп соответственно.Проведенные исследования тепловых схем гибридных энергоблоков с двукратным водородным перегревом пара и их вариантные расчеты продемонстрировали, что указанные схемыимеют огромный потенциал в плане повышения тепловой экономичности и единичной мощности энергоустановок, однако достаточно сложны в практическом исполнении.
Поэтому в качестве первого шага в освоении гибридных энергоблоков предложено исследовать варианты с однократным водородным промежуточным перегревом пара.128Рисунок 2.44 – Процесс расширения пара в турбине с двойным водородным перегревом и промежуточным охладителем751645701445Мощность, МВтКПД брутто, %656055124510458455045600700t0, °С:800620645900 1000 1100 1200tпп, °С72086060090070010008001100900 1000 1100 1200tпп, °С1200Рисунок 2.45 – КПД гибридного энергоблока Рисунок 2.46 – Электрическая мощность гибридс двумя водородными пароперегревателями ного энергоблока с двумя водородными паропереи промежуточным охладителем парагревателями и промежуточным охладителем пара129Схема гибридного энергоблока с однократным водородным промежуточным перегревомпара представлена на рисунке 2.47.
Турбоустановка может быть выполнена как с промежуточным охладителем пара, так и без него. Наличие или отсутствие охладителя определяется температурой промежуточного перегрева пара, а также давлением в конденсаторе паротурбиннойустановки. В представленной схеме водородный пароперегреватель устанавливается послепромежуточного пароперегревателя котельной установки. Охладитель же пара устанавливаетсяв случае необходимости так же, как и в ранее рассмотренных схемах, перед цилиндром низкогодавления.Рисунок 2.47 – Принципиальная тепловая схема гибридного энергоблока с однократным промежуточным водородным перегревом параВ результате проведенных расчетных исследований были получены характеристики тепловой экономичности гибридного энергоблока для трех уровней давления промежуточного перегрева – 5, 6 и 7 МПа и различного уровня температур перегрева, а также определена электрическая мощность гибридного энергоблока.Зависимость КПД энергоблока ηбрутто от температуры промежуточного перегрева для трехуказанных уровней давления представлена на рисунке 2.48.
Эффективность блока в областисравнительно низких температур очень слабо зависит от давления рабочей среды, однако с ро-130стом температуры влияние давления существенно возрастает и при температурах свыше 900 °Сдавление уже оказывает достаточно большое влияние на КПД установки.В данном случае рассматривался такой же диапазон изменения температуры, как и в случаес двукратным водородным перегревом, и оказалось, что перегрев пара до 1200 °С позволяет достигнуть КПД блока порядка 60-61 %, что равно КПД ПГУ с начальной температурой газов,равной 1500 °С.Изменение мощности гибридного блока Nэ показано на рисунке 2.49.
Промежуточный водородный перегрев пара tпп в выбранном диапазоне изменения температур позволяет увеличить611350591250571150Мощность, МВтКПД брутто, %электрическую мощность энергоблока с 660 до 1300 МВт.55531050950518504975047650600800pпп:5 МПа10001200600800tпп, °C6 МПа7 МПаpпп:5 МПа10001200tпп, °C6 МПа7 МПаРисунок 2.48 – КПД гибридного энергоблока с Рисунок 2.49 – Электрическая мощность гибридоднократным водородным перегревом параного энергоблока с однократным водороднымперегревом параПрименение водородного промежуточного перегрева пара на этапе освоения гибридныхэнергоблоков является наиболее целесообразным решением, поскольку позволяет увеличитьэлектрическую мощность блока практически вдвое при одновременном увеличении КПД паротурбинной установки до 61 %, что находится на уровне лучших образцов парогазовых устано-131вок, имеющих гораздо более высокую начальную температуру рабочего тела.
Такое решениеявляется более оправданным не только с термодинамической, но и с практической точки зрения, поскольку одним из основных узлов является водородно-кислородный пароперегреватель,конструкция которого достаточно хорошо отработана для рассматриваемого уровня давлений(5-7 МПа) [244, 250].При определении тепловой экономичности энергоустановок с водородным перегревом паранеобходимо учитывать дополнительные затраты энергии, связанные со сжатием водорода икислорода для подачи в камеру сгорания до давления острого пара или давления промежуточного перегрева. Работа сжатия lадк может быть определена по формуле (2.9).кад1∙∙1 ,(2.9)где k – показатель адиабаты, k = 1,4;R – газовая постоянная, Дж/(моль·К);T1 – температура начала сжатия, К;p1 и p2 – давление на входе и выходе из компрессора, МПа;Газовые постоянные для водорода и кислорода приняты равными соответственноRн2 = 4124 Дж/(кг·К), Ro2 = 259,8 Дж/(кг·К).Мощность, затрачиваемая на привод компрессоров, Nсж представляет собой произведениеудельной работы сжатия lадк на расход рабочего тела m, отнесенное к внутреннему относительному КПД компрессора ηсж (выражение (2.10)), а относительная доля расхода энергии на сжатие компонентов реакции Эсн.доп может быть определена на основе выражения (2.11).сжЭсн.допкад∙ηсжсж.(2.10)сжэ.(2.11)где NсжH2 – мощность, затрачиваемая на сжатие водорода, МВт;NсжO2 – мощность, затрачиваемая на сжатие кислорода, МВт.Поскольку расход топлива и окислителя являются функцией величины подогрева пара, тодоля дополнительных затрат на собственные нужды, связанные с сжатием компонентов реакции, также зависит от величины подогрева.
На рисунке 2.50 представлены зависимости, характеризующие изменение дополнительной доли собственных нужд для давления острого пара и132пара промежуточного перегрева от величины подогрева в водородно-кислородных камерах сгорания Δtвп. Из приведенных зависимостей видно, что водородный перегрев острого пара на300 °С сопровождается увеличением расхода энергии на собственные нужды на 7 %, а такой жеперегрев пара перед цилиндром среднего давления приводит к увеличению доли собственныхДоля затрат на сжатие, %нужд на 4 %.87654321004080120160200240280320Δtвп, °Cперегрев перед ЦСДперегрев перед ЦВДРисунок 2.50 – Доля дополнительных затрат мощности на сжатие компонентов реакцииНа рисунке 2.51 представлено семейство кривых, характеризующих изменение энергетической эффективности гибридного энергоблока нетто от начального давления цикла для различных значений водородного перегрева пара.
На основе анализа приведенных зависимостей можно сделать вывод, что при увеличении начальной температуры цикла гибридных энергоблоковза счет увеличения водородного перегрева пара целесообразно снижать уровень начальногодавления, что обеспечит более высокую термодинамическую эффективность. Такое изменениеоптимального начального давления обусловлено зависимостью расхода энергии на сжатие водорода и кислорода как от уровня давления, так и от степени перегрева пара, которая определяет необходимый для перегрева расход водорода.Затраты энергии на сжатие могут быть снижены за счет применения промежуточногоохлаждения сжимаемых сред и использования отобранной энергии в тепловой схеме гибридного энергетического комплекса. Поскольку порядка 95 % энергии расходуется на сжатие водорода, то именно для компрессоров, обеспечивающих его подачу в камеры сгорания, необходиморазработать схему включения в тепловую схему блока.1334645КПД нетто, %44434241403912Δtвп, °C:1501810021p0, МПа160242202728030320Рисунок 2.51 – Зависимость КПД нетто для различных уровней перегрева при измененииначального давленияНа рисунке 2.52 приведена тепловая схема энергетического комплекса с двукратным водородным перегревом пара на 200 °С и системой сжатия водорода с промежуточными охладителями, интегрированными в конденсатно-питательный тракт паротурбинной установки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
