close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Высокотемпературные технологии производства электроэнергии на угольно-водородных энергетических комплексах и способы их практической реализации

код для вставкиСкачать
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационного исследования. Ограниченность мировых запасов
первичного сырья вместе с необходимостью соблюдения экологических норм при обеспечении все возрастающих потребностей в энергетический ресурсах ставят вопрос о повышении
эффективности производства электрической энергии, большая часть которой производится на
тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих органическое топливо.
Угольная генерация занимает важное место в энергетической системе России и мира. В
связи с этим поисковые исследования структуры и параметров новых энергетических комплексов, работающих на угольном топливе, нацеленные на повышение их экономичности и
экологичности, являются перспективными направлениями разработок. Вместе с тем явно
наблюдается тенденция применения нетрадиционных источников энергии и альтернативных
видов энергоресурсов, к которым относится и водородное топливо.
Основная возможность существенно увеличить эффективность производства электроэнергии для угольной генерации заключается в значительном повышении начальных параметров паротурбинного цикла. Введение дополнительного водородного перегрева непосредственно перед паровой турбиной в специальных камерах сгорания, где сжигание водорода осуществляется в парокислородной среде, является одним из перспективных решений. Такой подход, с одной стороны, позволит существенно увеличить начальную температуру пара, а с другой стороны, сведет к минимуму область конструктивных элементов, работающих в зоне
сверхвысоких температур, тем самым сократив применение дорогостоящих жаропрочных материалов.
Идея использования водорода в энергетических комплексах широко рассматривается в
научном сообществе. J. Milewski и M.Soufi исследуют термодинамические циклы, в которых
водород играет роль основного топлива. Паросиловые циклы с применением водорода приводят в своих работах A. Miller и K. Badyda. Использование водорода в циклах АЭС рассматривают: Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Шацкова О.В., Шпильрайн Э.Э., Сарумов Ю.А., Попель
О.С., Рогалев А.Н. и Егоров А.Н. Ряд работ посвящен проблемам горения водорода в кислородной среде. Прибатурин Н.А., Федоров В.А., Алексеев М.В., Богомолов А.Р., Сорокин А.Л.,
Азиханов С.С., Шевырев С.А. рассматривают проблемы организации горения водородно-кислородной смеси в потоке пара и вопросы интеграции систем перегрева пара в смешивающих
пароперегревателях – камерах сгорания.
Наряду с высокой активностью научного сообщества, работающего по рассматриваемой
тематике, актуальность работы также подтверждается и государственной поддержкой указанного направления исследований. Так, например, в рамках реализации Федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России» проведены исследования по теме: «Исследование технологических и экономических аспектов использования водорода в качестве топливного ресурса на энергетических установках угольных ТЭС большой мощности, работающих на гибридном принципе: использовании угля и водорода».
В проведенных ранее исследованиях основное внимание уделяется вопросам организации
перегрева пара и его влиянию на тепловую экономичность энергетических комплексов, использующих водород в качестве основного или дополнительного вида топлива. При этом
практически не рассматриваются вопросы учета дополнительных затрат энергии, связанных с
подготовкой водорода и кислорода к сжиганию и оказывающих в конечном итоге большое
влияние на итоговую эффективность производства электроэнергии.
Объектом исследования является высокотемпературный угольно-водородный энергетический комплекс, представленный тепловой схемой угольного энергоблока с водородными камерами сгорания и интегрированной системой сжатия водорода и кислорода.
4
Целью работы является разработка научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности при производстве электрической энергии, на основе исследования общих свойств функционирования угольно-водородных энергетических комплексов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи.
1. Определить влияние применения нетрадиционного источника энергии (водорода) в тепловой схеме угольно-водородного энергетического комплекса на его тепловую экономичность
с учетом затрат на сжатие водорода и кислорода.
2. Провести оптимизацию структуры и параметров тепловых схем угольно-водородных
энергетических комплексов, используя методы математического моделирования.
3. Разработать способы интеграции системы снижения затрат на сжатие водорода в технологическую схему угольно-водородного энергетического комплекса.
4. Разработать перспективные варианты тепловых схем угольно-водородного энергетического комплекса.
5. Исследовать влияние применения водородного перегрева пара на расходные характеристики проточной части турбоустановки и разработать технические решения, обеспечивающие
повышение пропускной способности последних отсеков паровой турбины.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1. Получены зависимости КПД нетто для угольно-водородного энергетического комплекса со степенями водородного перегрева в диапазоне 0-300 °С при учете затрат мощности
на сжатие водорода и кислорода.
2. Обоснованы оптимальные структура и параметры тепловой схемы угольно-водородного энергетического комплекса с учетом затрат мощности на сжатие водорода и кислорода,
в том числе установлено значение оптимального начального давления, определены особенности системы регенеративного подогрева. Разработана оригинальная методика определения оптимального разделительного давления между цилиндром среднего (ЦСД) и цилиндром низкого давления (ЦНД) турбоустановки.
3. Разработаны схемные решения, обеспечивающие интеграцию системы промежуточного
охлаждения водорода, применяемую в процессе сжатия для снижения дополнительных затрат
мощности, в тепловую схему угольно-водородного энергетического комплекса.
4. На основании проведенных исследований разработаны новые варианты тепловых схем
угольно-водородных энергетических комплексов.
5. Установлено, что применение водородного перегрева приводит к увеличению объемного расхода пара через последние отсеки проточной части турбины. Предложен способ повышения пропускной способности – ЦНД с двухъярусной проточной частью, отличающийся
установкой специальной диафрагмы для первой ступени, позволяющей организовать независимый подвод пара в ярусы при пяти ступенях в нижнем ярусе и трех ступенях в верхнем
ярусе, и обеспечивающий пропуск через последние отсеки турбоустановки увеличенного на
45% объемного расхода пара.
Теоретическая и практическая значимость работы. Получены зависимости показателей
экономичности угольно-водородного энергетического комплекса от параметров водородного
перегрева, которые могут быть использованы при проектировании энергоблоков с водородным перегревом пара. Практическое применение водородного перегрева позволит существенно повысить КПД угольной генерации. Данная технология может быть использована как
при модернизации существующих энергоблоков, так и при создании новых энергетических
комплексов. В новых угольно-водородных энергетических объектах будет возможно достичь
сверхвысоких начальных температур пара, что обеспечит существенное повышение экономичности при выработке электрической энергии. Вместе с этим благодаря локализации высокотемпературной области рядом с турбоустановкой рассматриваемое решение не потребует
применения большого количества дорогостоящих жаропрочных сплавов на никелевой основе.
Применение водородного топлива для перегрева пара позволяет увеличить мощность энергоблока на 30-40% без дополнительных выбросов вредных веществ в атмосферу.
5
В теоретическом плане проведенная работа доказывает высокую термодинамическую эффективность использования водородного топлива для перегрева пара в паросиловых циклах
угольных энергоблоков.
В ходе проведенного исследования была создана оригинальная методика определения оптимального разделительного давления между ЦСД и ЦНД, а также адаптирована методика
теплового расчета проточных частей турбомашин для двухъярусных цилиндров. Разработанные методики могут быть использованы при проектировании нового оборудования.
Предлагаемый в работе способ увеличения пропускной способности, основанный на применении в ЦНД двухъярусной проточной части, может быть использован как для решения
проблем пропуска повышенного объемного расхода пара в угольно-водородных энергетических комплексах, так и при создании новых сверхмощных турбоустановок для традиционных
энергоблоков ТЭС и АЭС.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач
были использованы как теоретические методы, так и численный эксперимент. Исследование
тепловых схем с применением водородного перегрева производилось с помощь вариантных
расчетов моделей, построенных в современном программном пакете Gate Cycle. Конструкция
двухъярусного ЦНД прорабатывалась с применением одномерных расчетов в программной
среде Axial и трехмерного моделирования в ANSYS CFX, AxCent и ANSYS Mechanical.
Автор защищает:
1. Результаты исследования влияния применения водорода в тепловой схеме угольно-водородного энергетического комплекса на показатели его тепловой экономичности в зависимости от области применения водородного перегрева в тепловой схеме энергоустановки, уровня
начального давления и степени водородного перегрева.
2. Результаты оптимизационных исследований структуры и параметров тепловых схем
угольно-водородных энергетических комплексов с учетом затрат мощности на сжатие водорода и кислорода.
3. Способ интеграции системы охлаждения водорода в технологическую схему угольноводородного энергетического комплекса, позволяющий сократить затраты мощности на сжатие топлива на 40% без влияния на тепловую экономичность турбоустановки.
4. Тепловые схемы угольно-водородных энергетических комплексов с перегревом
Δtвп = 200°С и Δtвп = 300°С, обеспечивающие КПД нетто по производству электроэнергии 46 и
47,9% соответственно.
5. Способ повышения пропускной способности последних отсеков турбоустановки
угольно-водородных энергетических комплексов, основанный на применении в ЦНД двухъярусной проточной части с независимым подводом пара в ярусы и установкой специальной
диафрагмы для первой ступени.
Личный вклад автора состоит в построении математических моделей тепловых схем, проведении расчетов тепловых схем, разработке вариантов интеграции систем охлаждения водорода, разработке вариантов тепловых схем с водородным перегревом пара, разработке методики определения оптимального разделительного давления, разработке и исследовании способа повышения пропускной способности проточной части турбоустановки.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается применением современных международно признанных методов и программных средств моделирования изучаемых систем и процессов (Axial, AxCent, Gate Cycle,
ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent, ANSYS CFX), а также проведением анализа и оценки получаемых результатов.
Основные результаты работы были представлены и получили положительную оценку на
VI международной конференции «Energy and Sustainability» (Медельин, Колумбия, 2015), XV
международной конференции «Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow» (Пльзень, Чехия, 2016), международной научно-практической конференции «Электроэнергетика
глазами молодежи» (Иваново, Россия, 2015), на выставке «ВУЗПРОМЭКСПО-2015» (Москва,
6
Россия, 2015). Также результаты докладывались на научном семинаре и заседании кафедры
тепловых электрических станций ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
Публикации. По теме диссертации соискателем опубликовано 7 научных работ, в том
числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 2 публикации в изданиях, входящих в международную базу цитирования Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 88 источников. Работа изложена на 200 страницах
текста, содержит 159 рисунков и 20 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены
объект, цель и задачи работы, охарактеризованы методология и методы исследования, выделены элементы научной новизны работы, ее теоретическая и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, отражены сведения об апробации результатов.
Первая глава диссертации посвящена анализу существующих исследований, нацеленных
на поиск возможных путей применения водородного топлива в энергетике.
Применение водородного топлива при производстве электрической энергии является
весьма перспективным как с точки зрения эффективности преобразования химической энергии топлива в электроэнергию, так и с точки зрения экологии. С точки зрения снижения экологической нагрузки на окружающую среду наилучшим вариантом является использование в
энергоустановке только водородного топлива, что полностью исключит выброс вредных веществ в атмосферу. Оригинальные концептуальные исследования термодинамических аспектов применения водорода как основного топлива в цикле Ренкина отражены в работах
J. Milewski и M. Soufi. Как отмечают сами авторы, предлагаемые технологические решения
имеют ряд существенных технических ограничений, связанных с необходимостью создания
громоздких теплообменников для внутрициклового испарения питательной воды. В связи с
возникающими сложностями использования исключительно водородного топлива в научной
среде имеет место и другая концепция – использование водорода в циклах традиционных паротурбинных установок только для перегрева пара, путем установки водородных пароперегревателей – водородно-кислородных камер сгорания. При этом его генерация происходит за
счет использования теплоты сгорания традиционных для энергетики видов топлива. Особенно
подробно данная концепция прорабатывается для атомных электрических станций (АЭС).
Важным вопросом, возникающим при рассмотрении предлагаемой концепции, является
вопрос выбора наиболее оптимального для энергетических целей способа получения водорода, который должен быть не только энергетически эффективным, но и обеспечивать производство водородного топлива в больших объемах. Проведенный анализ существующих методов производства водородного топлива показал, что наиболее перспективным, удовлетворяющим указанным критериям методом является метод паровой конверсии природного газа.
Организация водородно-кислородных камер сгорания – еще один из ключевых аспектов
реализуемости водородного перегрева пара. Специалисты по данному направлению рассматривают вопросы горения водородно-кислородной смеси в потоке пара и способы интеграции
систем перегрева пара в смешивающих пароперегревателях – камерах сгорания. Стоит отметить, что данный вопрос исследуется не только с теоретической, но и экспериментальной стороны на специально оборудованных установках.
В настоящий момент применение водорода в энергетике с целью повышения эффективности и экологичности активно обсуждается в международном научном сообществе, реализуется целый ряд исследований и разработок в рассматриваемом направлении. Внимание в работах ученых уделяется как исследованию термодинамических циклов и тепловых схем установок, так и вопросам практической реализации технологий применения водорода – проработка теплообменного оборудования, камер сгорания, установок для получения водорода. При
7
этом стоит отметить, что в существующих работах не было проведено комплексного исследования влияния дополнительного фактора, оказывающего весомое значение на параметры энергетических водородных комплексов – затрат мощности на сжатие водорода и кислорода при
его подготовке к сжиганию в водородной камере сгорания. Также следует добавить, что особенности технологического процесса горения водорода приводят к существенному изменению
требований к пропускной способности последних отсеков турбоустановки. Таким образом,
имеется необходимость проведения исследований тепловых схем угольно-водородных энергетических комплексов с учетом обозначенных аспектов.
Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию тепловых схем с водородным перегревом пара, нацеленному на поиск такой их структуры и параметров, которые
позволят обеспечить высокие показатели тепловой эффективности.
Принципиально возможно применять водородный перегрев в среде острого пара и пара
промежуточного перегрева в различных сочетаниях. На рисунке 1 приведена принципиальная
тепловая схема с установкой двух камер сгорания. В работе проведено исследование влияние
степени перегрева Δtвп на показатели тепловой экономичности при постоянном давлении.
Рисунок 1 – Принципиальная схема угольно-водородного энергоблока
Наибольший термодинамический эффект дает одновременное применение водородного
перегрева в двух точках схемы, что отраженно на рисунке 2, где показана зависимость КПД
брутто блока от величины водородного перегрева пара как с учетом дополнительных затрат
на сжатие, так и без них для перегрева в различных местах тепловой схемы при постоянном
давлении острого и перегретого пара (24 и 3,6 МПа соответственно). Рост КПД нетто при повышении начальной температуры до 840°С с учетом дополнительных собственных нужд составляет 6-8%. Дальнейшее повышение начальной температуры приводит к еще более существенному росту экономичности установки.
8
52
Кривые пунктиром – без учета затрат на сжатие
Кривые сплошные – с учетом затрат на сжатие
50
Перегрев перед ЦВД и ЦСД
КПД нетто, %
48
Перегрев
перед ЦВД
46
44
42
Перегрев перед ЦСД
40
0
50
100
150
200
250
300
Дополнительный перегрев водородным топтивом, °С
350
Рисунок 2 – Зависимости КПД энергоблока от величин дополнительного перегрева в различных сочетаниях
КПД энергоблока брутто, %
На рисунке 3 показано семейство кривых, отражающих зависимость КПД энергоблока
брутто от различных значений температуры острого пара и пара промежуточного перегрева,
для диапазона 600-1200°С (без учета собственных нужд). При значениях начальной температуры более 900°С КПД брутто энергоблока превысит 57%.
Одновременно с ростом эффективности увеличение Δtвп однозначно ведет к повышению
мощности (при фиксированном расходе острого пара), что отражено на рисунке 4. При значениях Δtвп = 250-300°С прирост мощности при сравнении с вариантом без водородного перегрева составляет 30-40%.
75
t0, °С:
70
620
720
860
900
1000
1100
1200
65
60
55
50
45
600
800
1000
1200
Температура пара промежуточного перегрева, °С
Рисунок 3 – КПД брутто угольно-водородного энергоблока в зависимости от температур
острого пара и пара промежуточного перегрева
∆N / N, %
9
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
ЦВД+ЦСД
ЦВД
ЦСД
0
100
200
300
400
Дополнительный перегрев водородным топливом, °С
Рисунок 4 – Прирост мощности блока в зависимости от степени водородного перегрева
Угольно-водородные энергоблоки отличаются от традиционных наличием дополнительных затрат на собственные нужды, обусловленные необходимостью сжимать водород и кислород до давления поступления в камеру сгорания, значение которого близко давлению пара
в паропроводе.
Учет дополнительных затрат на сжатие водорода и окислителя приводит к ряду особенностей, характерных только для рассматриваемой технологии. Прежде всего, доля собственных
нужд для угольно-водородных энергоблоков напрямую зависит от начальной температуры,
что несвойственно для традиционных тепловых электрических станций. Рост Δtвп ведет к увеличению расхода компонентов реакции и, соответственно, мощности, затрачиваемой на их
подготовку. Необходимое количество водорода и кислорода, отнесенное на 1 кг пара, подаваемого в голову турбины, и затраты мощности на сжатие, отнесенные к 1 МВт вырабатываемой
мощности, приведены на рисунке 5 и рисунке 6 соответственно.
7
Доля компонентов, %
6
перегрев перед ЦВД
H2O
5
4
3
O2
2
1
перегрев
перед ЦСД
H2
0
0
100
200
300
400
Дополнительный перегрев водородным топливом, °С
Рисунок 5 – Необходимая доля компонентов реакции в зависимости от значения дополнительного перегрева
Доля затрат на сжатие, %
10
8
7
6
5
4
3
2
1
0
перегрев перед
Ряд1
ЦВД
перегрев перед
Ряд2
ЦСД
0
100
200
300
Дополнительный перегрев водородным топливом, °С
Рисунок 6 – Доля затрат мощности на сжатие кислорода и водорода
(P0 = 24 МПа, Pпп = 3,6 МПа)
Следует отметить, что затраты на сжатие растут медленнее, чем мощность цикла при увеличении начальной температуры. Следовательно, точки зрения тепловой эффективности, учитывающей затраты на сжатие водорода и кислорода, эффект от применения водородного перегрева будет тем больше, чем до более высоких температур будет перегрет пар, и тем меньшую долю будут занимать затраты мощности на привод компрессоров.
На общую тепловую эффективность угольно-водородного энергоблока значительным образом влияет начальное давление пара. Результаты исследования влияния данного параметра
приведены на рисунке 7, где показаны значения КПД нетто для двух уровней начального давления и соответствующего им давления промежуточного перегрева. При величине водородного перегрева, равной 170°С, повышение давления от 24 до 30 МПа при учете затрат на сжатие не изменяет тепловую экономичность. Аналогичное повышение давления для степеней
перегрева более 170°С приводит к уменьшению КПД-нетто. Комплексный анализ результатов
исследований свидетельствует о том, что для угольно-водородного энергоблока каждому
уровню дополнительного перегрева соответствуют строго определенное давление, сверх которого прирост мощности, затрачиваемой на сжатие, начинает превалировать над увеличением полезной мощности, вырабатываемой на электрогенераторе.
47
КПД нетто, %
46
45
44
43
42
41
40
0
50
100
150
200
250
300
Дополнительный перегрев водородным топливом, °С
24МПа
350
30 МПа
Рисунок 7 – Значения КПД нетто с учетом дополнительных затрат для двух уровней начального давления
11
Исследования зависимости КПД нетто при различных фиксированных уровнях водородного перегрева при изменении начального давления и, соответственно, давления промперегрева показали: чем выше перегрев, тем меньше оптимальное начальное давление (рисунок 8).
Для базового случая с начальной температурой 540°С темп прироста эффективности после
давления 27 МПа значительно снижается, для начальных температур 640-740°С (перегрев 100200°С) повышение давления свыше 23-25 МПа фактически не приводит к изменению КПД, а
для уровня температур свыше 740°С интервал равно экономичных давлений составляет 2023 МПа, причем дальнейшее повышение давления начинает снижать КПД нетто.
46
КПД нетто, %
45
Δtвп, °С:
44
без перегрева
43
100
42
160
220
41
280
40
320
39
12
17
22
27
Начальное давление, МПа
Рисунок 8 – Зависимость КПД нетто для различных уровней перегрева при изменении
начального давления
Из вышесказанного можно сделать заключение, что при Δtвп < 320-340°C рационально сохранять сверхкритический уровень давлений P0 > 22,3 МПа, а энергоблоки на сверхвысокие
уровни перегревов Δtвп > 400°C целесообразно проектировать на докритический уровень давлений.
Зависимость доли собственных нужд от давления промежуточного перегрева для рассматриваемых схем также отличает их от традиционных схем ТЭС. Снижение давления промежуточного перегрева от значений, принятых для традиционных блоков на сверхкритические параметры (СКП), приводит как к снижению термодинамического КПД цикла, так и к снижению
затрат на сжатие компонентов реакции. Однако падение термодинамического КПД превышает
уменьшение затрат на дополнительные собственные нужды во всем диапазоне возможных
давлений промперегрева при отклонении от оптимальной точки, рассчитанной по тем же зависимостям, что и для традиционных блоков. Таким образом, можно утверждать, что оптимальное значение давления промежуточного перегрева для угольно-водородных энергетических комплексов следует рассчитывать по тем же зависимостям, что и для существующих
энергоблоков на СКП пара.
Применение водородного перегрева приводит к дополнительному увеличению расхода
пара по проточной части турбоагрегата, обусловленному двумя аспектами: во-первых, образованием в процессе горения водорода дополнительного рабочего тела и, во-вторых, снижением доли регенеративных отборов, что обусловлено существенным повышением теплового
потенциала пара, поступающего в регенеративные подогреватели. Общее увеличение массового расхода при степени перегрева в 300°С составляет 16-18%.
Вместе с этим последовательное повышение температуры промежуточного перегрева
пара, связанное с перемещением точки конца расширения вверх по изобаре, приводит к существенному снижению конечной влажности. При начальной температуре промежуточного перегрева равной 720-760°С и давлении 3,6 МПа на вход в ЦСД поступает насыщенный пар.
12
Удельный объем на выхлопе, м3/кг
Вместе с этим повышается удельный объем на выходе из ЦНД (рисунок 9). При степени перегрева пара в 300°С увеличение удельного объема составляет 24-26%. Учитывая два последних
обстоятельства, можно заключить, что последние отсеки турбоустановки, в рассматриваемых
условиях должны будут пропустить увеличенный на 40-45% объемный расход пара.
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
0
100
200
300
400
Дополнительный перегрев водородным топливом, °С
Рисунок 9 – Значения удельного объема на выхлопе из ЦНД
Третья глава посвящена исследованию особенностей тепловых схем угольно-водородных
энергоблоков и способам повышения их эффективности за счет снижения затрат мощности на
сжатие водорода.
Использование водородного перегрева в тепловой схеме вносит ряд изменений в систему
регенеративного подогрева. Распределение давлений регенеративных отборов не изменяется
для первых двух подогревателей группы высокого давления. Давление в них определяется
температурой питательной воды и давлением промежуточного перегрева, которые не изменяются в рассматриваемых условиях. Изменение распределения отборов из ЦСД и ЦНД обуславливается смещением положения индифферентной точки.
Применение водородной камеры сгорания только в остром паре специфически сказывается на положении индифферентной точки – она смещается вверх (рисунок 10). Это происходит в силу уменьшения участка подвода теплоты в промежуточном пароперегревателе qпп изза смещения точки конца расширения вверх по изобаре в сторону повышения температур.
Применение водородной камеры только в точке после промежуточного перегрева в котле,
перед ЦСД, увеличивает Δtвп и приводит к сдвигу точки начала расширения в ЦСД вверх по
изобаре. По мере повышения дополнительного перегрева пара за счет водородного топлива
происходит постепенное снижение давления в индифферентной точке, что показано на рисунке 11.
Изменения процесса расширения при последовательном увеличении Δtвп для
P0 = 23,5 МПа и Pпп = 3,6 МПа представлены на рисунке 12.
Изучение третьего варианта – одновременного применения водородного перегрева в двух
точках схем (остром паре и паре промежуточного перегрева) показало незначительную зависимость положения индифферентной точки от степени перегрева. Обозначенный выше эффект слабой зависимости Pинд от Δtвп имеет место только при условии равенства Δtвп0 = Δtвп.пп.
Для того, чтобы пологая линия, отражающая зависимость Pинд от Δtвп, стала горизонтальной,
требуется сместить баланс подогрева в сторону острого пара на 2-5%: Δtвп0 = Δtвп.пп∙1,05. В
данном случае давление в индифферентной точке не будет меняться с ростом Δtвп.
13
2,5
Давление в индифферентной
точке, МПа
Давление в индифферентной
точке, МПа
3,5
3,4
3,3
3,2
3,1
3
2,9
0
100
200
2,3
2,1
1,9
1,7
1,5
0
300
Энтальпия, кДж/кг
200
300
400
Дополнительный перегрев
водородным топливом, °С
Дополнительный перегрев
водородным топливом, °С
Рисунок 10 – Зависимость давления в
индифферентной точке от значения
дополнительного перегрева (перегрев в
остром паре)
100
Рисунок 11 – Зависимость давления в
индифферентной точке от значения
дополнительного перегрева (перегрев в паре
промежуточного перегрева)
4000
3500
3000
2500
2000
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
Энтропия, кДж/кг·К
Рисунок 12 – Процесс расширения в паровой турбине для различных степеней водородного
перегрева
С точки зрения эффективности работы регенеративного подогрева при изменении Δtвп независимость оптимальных значений давлений в регенеративных подогревателях от данной величины делает конфигурацию тепловой схемы с двумя точками равного водородного перегрева наиболее перспективной.
14
50
6
40
5
4
30
G, кг/с
∆N/N, %
Определение значения давления в индифферентной точке для угольно-водородного энергоблока необходимо проводить по адаптированной методике, приведенной в диссертации. Доработка существующих подходов состояла в учете дополнительного расхода рабочего тела,
образующегося в процессе сгорания водорода.
Применение водородного перегрева пара при оптимальных значениях начального давления смещает процесс расширения вправо. Данное изменение приводит к росту температуры
пара поступающего в регенеративные подогреватели. Наиболее принципиальным это становится для двух последних подогревателей низкого давления. Высокие значения перегрева пара
относительно температуры насыщения делают рациональным изменение конструкции подогревателя за счет добавления поверхностей предварительного охлаждения пара. При существенных перегревах Δtвп > 200-250°С в нижнем подогревателе поступающий пар перегрет
относительно температуры насыщения более чем на 140°С. Таким образом, можно рекомендовать установку охладителей пара во всей группе подогревателей низкого давления при значениях Δtвп > 200°С.
Также установлено, что увеличение Δtвп свыше 160-200°С приводит к поступлению сухого
насыщенного или слабо перегретого пара в конденсатор. Дальнейшее повышение начальной
температуры, обусловленное стремлением получить более высокие показатели тепловой эффективности схемы, приведет к поступлению в конденсатор уже перегретого пара. В таком
случае целесообразно выделить участок, в котором будет происходить охлаждение пара, предваряющее последующую конденсацию в основном отсеке конденсатора. В работе рассмотрены два различных варианта включения пароприемного охладителя конденсатора по охлаждающей воде относительно основного отсека конденсатора: последовательный и параллельный. Показано, что оптимальным решением является параллельное включение.
Так как затраты на сжатие водорода существенно ухудшают общую эффективность
угольно-водородного комплекса, для их снижения были рассмотрены различные варианты систем промежуточного охлаждения водорода в процессе сжатия и их интеграции в общую тепловую схему. Наилучшей из рассмотренных является схема с организацией трехступенчатого
сжатия водорода и параллельным подключением к охлаждающей среде. Вода забирается после конденсатного насоса второй ступени и сбрасывается в деаэратор при температурах, близких к температуре насыщения. Снижение затрат мощности (рисунок 13) зависит от величины
охлаждения в каждой ступени. Зависимость требуемого расхода воды на охлаждение 1 кг/с
водорода показана на рисунке 14. Тепловая схема с системой охлаждения водорода показана
на рисунке 15. При использовании трехступенчатого сжатия с глубиной охлаждения Δtох
= 160°С при независимой параллельной схеме включения сокращение затрачиваемой мощности составляет 40%. Таким образом, дополнительные собственные нужды снижаются до 5-6%
от Nэ.
20
3
2
10
1
0
0
0
50
100
150
200
∆t, °С
Рисунок 13 – Зависимость сокращения
мощности на сжатие от глубины
промежуточного охлаждения
0
50
100
150
200
∆t, °С
Рисунок 14 – Расход охлаждающей воды
при трехступенчатом сжатии
до 24 МПа
15
На основании результатов проведенного исследования были разработаны два варианта
тепловой схемы угольно-водородного энергоблока на разные уровни водородного перегрева:
Δtвп = 200°С и Δtвп = 300°С. Основные параметры рассматриваемых вариантов приведены в
таблице 1.
Таблица 1 – Основные параметры рассматриваемых вариантов тепловых схем угольно-водородных энергоблоков
Вариант 1
Вариант 2
Параметр
Δtвп = 200°С
Δtвп = 300°С
t0 / tпп, °C
740 / 740
840 / 840
P0 / Pпп, МПа
23,5 / 3,6
23 / 3,4
Δtвп, °С
200
300
ηнетто, %
46,7
47,9
Эдоп.сн, %
5,2
7,8
NЭ, МВт
1560
1740
Состояние пара на выхлопе ЦНД
насыщенный
перегретый на 65°С
Наличие пароприемного-охладителя конденсатора
нет
есть
Расход H2, кг/с
6,8
11,6
Требования к дополнительной площади выхлопа
28
42
в отношении к прототипу, %
Вариант 1 базируется на тепловой схеме энергоблока К-1200-240 и содержит две камеры
сгорания с уровнем перегрева Δtвп = 200°С. При таком значении перегрева пар на выхлопе
ЦНД находится в состоянии насыщения. В рассматриваемой схеме начальное давление и давление промежуточного перегрева равны соответствующим давлениям в схеме-прототипе.
Одинаковая степень водородного перегрева в камерах сгорания позволяет оставить давления
регенеративных отборов без изменения. Схема включения промежуточного охлаждения водорода – независимая для каждой камеры сгорания и параллельная по включению к охлаждающей воде.
Рисунок 15 – Принципиальная тепловая схема угольно-водородного энергоблока со степенью перегрева Δtвп = 200°С (вариант 1)
16
Вариант 2 отличается уровнем водородного перегрева (Δtвп = 300°С) и, соответственно,
состоянием пара, поступающего в конденсатор. Для рассматриваемой схемы пар в конце процесса расширения является перегретым. В силу этого в схеме предлагается использовать пароприемный охладитель, подключенный параллельно по циркуляционной воде относительно
основного отсека конденсатора. Высокие значения Δtвп приводят к полному вытеснению огневого промежуточного перегрева в котельном агрегате, поэтому в данном варианте отсутствует промежуточный пароперегреватель (рисунок 16). Также особенностью рассматриваемой схемы является наличие пароохладителей у каждого подогревателя.
Рисунок 16 – Принципиальная тепловая схема угольно-водородного энергоблока со степенью перегрева Δtвп = 300°С (вариант 2)
Таким образом, использование водородного перегрева повышает КПД нетто энергоблока
на 6-8%. Вместе с тем происходит существенное (на 30-45%) увеличение мощности энергоблока по сравнению со схемой без водородного перегрева при одинаковой паропроизводительности котельного агрегата.
Четвертая глава посвящена поиску способа, обеспечивающего повышение пропускной
способности выхлопных отсеков турбоустановки.
Увеличение начальной температуры пара за счет увеличения степени водородного перегрева в угольно-водородных энергетических комплексов приводит к существенному (до 4045%) увеличению объемного расхода пара в конденсатор. Традиционно решение обозначенной проблемы осуществляется за счет добавления выхлопов ЦНД или увеличения длины лопатки последней ступени. Однако в настоящее время линейные габариты сверхмощных паротурбинных установок достигли предельных значений с точки зрения вибрационной надежности. Более того, добавление еще одного ЦНД существенно увеличивает металлоемкость турбоагрегата. В связи с этим рассматриваются альтернативные варианты повышения пропускной способности. По результатам исследования установлено, что переход к двухъярусным
проточным частям является одним из перспективных методов обеспечения дополнительной
площади выхлопа.
Разработка и исследование методов повышения пропускной способности должна проводиться при известном разделительном давлении между ЦСД и ЦНД. Для нахождения данного
значения был разработан оригинальный метод, базирующийся на анализе потерь в последних
ступенях ЦСД и первых ступенях ЦНД.
17
При изменении разделительного давления, прежде всего, происходит изменение высоты
первых лопаток ЦНД и последних ЦСД. При росте разделительного давления длины лопаток
первой ступени ЦНД и последней ступени ЦСД уменьшаются, а при снижении давления,
наоборот растут. При этом следует иметь в виду, что абсолютные высоты лопаток первой ступени ЦНД у мощных паровых турбин оказываются заметно меньше длины лопаток последней
ступени ЦСД, так как они располагаются на разных диаметрах, и через первую ступень двухпоточного ЦНД протекает существенно меньший массовый расход пара (обычно на один выхлоп ЦСД приходится от двух до шести выхлопов ЦНД). Высота лопатки при известном корневом диаметре главным образом влияет на две составляющие общего коэффициента потерь
– на коэффициент концевых потерь и на коэффициент потерь от веерности.
Таким образом, целевой функцией является сумма аэродинамических потерь, зависящих
от высоты первой и последней лопатки в ЦНД и ЦСД соответственно.
∑ ζ �цнд , цсд � = ∑ ζцнд �цнд � + ∑ ζцсд (цсд ).
(1)
Высоты лопаток однозначно сводятся к зависимости от разделительного давления через
уравнение неразрывности:
() =

− к .
(2)
ρ() = 3,4383 ×  + 0,2656.
(3)
′∙π ∙2 ∙ρ(2 )∙µ∙sin(β2 )
В уравнении зависимость плотности от давления может быть линеаризовано для предполагаемого процесса расширения выражением:
Сумму концевых потерь и потерь от веерности в функциональной зависимости от давления отдельно для ступеней ЦСД и ЦНД можно представить в следующем виде:
ζ′() =
0,13
0,2 ×()/
β
2
∙ �1 +  ∙ �1 + β1 � ∙ отн 2 ∙  2 β2 � +
2
χθ
��()�
2
.
(4)
Поиск минимума суммы (1), записанной для ступеней ЦНД и ЦСД, позволяет определить
оптимальное значение разделительного давления.
После определения оптимального давления на входе в ЦНД было проведено исследование
различных способов организации двухъярусной проточной части на базе вариантных расчетов. Были произведены расчеты следующих конструктивных исполнений проточной части
двухъярусного ЦНД: двух вариантов с независимым подводом пара в ярусы, содержащих три
и четыре ступени соответственно, и вариант с общей первой ступенью и тремя ступенями в
верхнем ярусе. Рассмотренные случаи имеют длину лопатки последней ступени 1160 мм. Такого значения оказывается достаточно для того, чтобы обеспечить увеличение пропускной
способности на 45% по сравнению с традиционными цилиндрами. Значения внутреннего КПД
ступеней верхнего яруса при различной компоновке отображены на рисунке 17. Итоговый
диаграммный КПД всего цилиндра при массовом осреднении между ярусами для различных
вариантов представлен на рисунке 18.
Наилучшие показатели экономичности соответствуют варианту с установленной специальной диафрагмой, пятью ступенями в нижнем ярусе и тремя ступенями в верхнем ярусе. В
данном случае обеспечиваются оптимальные значения чисел u / сф для всех ступеней (0,630,7). Использование специальной конструкции диафрагмы позволяет выровнять поле скоростей на входе во второй ярус и избежать дополнительных потерь, связанных с неравномерностью течения.
18
86,65
0,9
2
1
0,85
3
0,8
0,75
0,7
0,65
Внутренний
относительный КПД, %
Внутренний относительный
КПД, %
0,95
86,6
86,6
86,55
86,5
86,45
86,44
86,4
3
86,4
1
86,35
2
1
2
3
4
86,3
Номер ступени
1 – вариант с тремя ступенями и общей ступенью; 2 – вариант с четырьмя ступенями;
3 – вариант с тремя ступенями и независимым подводом пара в ярусы
Рисунок 17 – Зависимости КПД ступеней
верхнего яруса при различных исполнениях
Рисунок 18 – Сравнение интегрального
значения КПД
На базе разработанных подходов к проектированию двухъярусных цилиндров низкого
давления разработан эскизный проект ЦНД, трехмерная модель проточной части которого показана на рисунке 19.
Рисунок 19 – Трехмерная модель проточной части двухъярунсого ЦНД
Также было проведено исследование, нацеленное на поиск оптимального конструктивного решения для рабочих двухъярусных лопаток предпоследней ступени цилиндра. Переход
к двухъярусным ЦНД возможен на основании «вильчатой» лопатки, где одно перо лопатки
нижнего яруса с межъярусной перегородкой является несущей частью для двух или трех лопаток верхнего яруса. В процессе разработки было проверено большое число конструктивных
подходов с различным числом профилей в верхнем ярусе, различной формой распределительной перегородки и формой замка. Проверка производилась с помощью трехмерных прочностных и аэродинамических расчетов. В общем было рассмотрено более двенадцати различных
вариантов.
19
Наилучшим вариантом было признано исполнение, имеющее единую неразборную конструкцию, разделенную на две части поперечной перегородкой, на внешней поверхности которой располагаются две лопатки верхнего яруса со скошенной на 40° формой полки толщиной 10 мм и елочным усиленным хвостовиком с заходом в пазы ротора под углом 65°.
В рабочем колесе верхний и нижний ярусы не связаны друг с другом в аэродинамическом
плане, что позволило, во-первых, оптимизировать форму профилей по режиму течения,
наблюдаемому в разных частях лопатки, и, во-вторых, для ступени в целом, учитывая наличие
межъярусного уплотнения, подобрать значение реакции, обеспечивающее оптимальные углы
выхода.
Проведенное с использованием программного комплекса ANSYS исследование прочностного состояния доказало работоспособность разработанной конструкции. При изготовлении
рабочего колеса из титана марки ВТ-6, предел прочности которого равен σв = 1200 МПа, напряжения в опасных зонах корневого сечения и межъярусной полки составляют всего 400-450
МПа, что обеспечивает почти трехкратный запас прочности. Проведенные трехмерные вибрационные расчеты также показали достаточную степень надежности предлагаемой конструкции. Максимальные радиальные перемещения периферийных участков пера лопатки при
нагружении не превышают 1,5 мм.
В заключении отражены основные научные результаты, полученные в ходе проведения
диссертационного исследования.
1. Показана перспективность применения водорода для перегрева пара на двух участках
тепловой схемы (перед ЦВД и после промежуточного перегрева), что обеспечивает высокие
показатели тепловой эффективности угольно-водородного энергетического комплекса (КПДнетто достигает 46-48%). Установлено, что 30-40% вырабатываемой угольно-водородным
энергетическим комплексом электрической энергии производится за счет использования энергии водородного топлива, и, следовательно, не сопровождается дополнительными выбросами
загрязняющих веществ в атмосферу в районе расположения энергетического объекта, что
наряду с высокой тепловой экономичностью подтверждает существенный экологический потенциал рассматриваемой технологии.
2. На основе методов математического моделирования обоснованы оптимальные в рамках
поставленных условий параметры и структура тепловой схемы угольно-водородного энергетического комплекса. При степенях перегрева Δtвп < 400°С оптимальное начальное давления
выше критического и составляет 22-24 МПа. Повышение степени перегрева пара сверх 400°С
приводит к снижению оптимального начального давления ниже критического уровня. Определены особенности системы регенеративного подогрева в схемах с водородным перегревом
пара. При Δtвп > 200°С всю группу подогревателей низкого давления рационально выполнять
с охладителями пара. Установлено влияние степени перегрева на положение индифферентной
точки. Применение в равной степени перегрева острого пара и пара промежуточного перегрева позволяет сохранять оптимальное давление в индифферентной точке без существенного
изменения. Определено влияние дополнительных затрат мощности на сжатие водорода и кислорода на показатели эффективности тепловой схемы. При водородном перегреве в остром
паре и паре промежуточного перегрева, равном Δtвп = 300°С, затраты на сжатие составят 1011% от Nэ.
3. Разработаны схемные решения интеграции системы промежуточного охлаждения в тепловую схему угольно-водородного энергетического комплекса, обеспечивающие снижение затрат мощности на сжатие водорода. При использовании трехступенчатого сжатия с глубиной
охлаждения Δtохл = 160°С с включением по независимой параллельной схеме сокращение затрачиваемой мощности составит 40%. Это обеспечит снижение доли затрат мощности на сжатие до 5-6% от Nэ.
4. Разработаны новые варианты тепловых схем угольно-водородных энергетических комплексов, обеспечивающие высокие показатели тепловой эффективности (КПД нетто 46-48%).
В обеих схемах водородный перегрев пара осуществляется как перед цилиндром высокого,
20
так и перед цилиндром среднего давления. Первая схема разработана на Δtвп = 200°С, что обеспечивает выработку Nэ = 1560 МВт с КПД энергетического комплекса нетто 46%. Вторая
схема имеет Δtвп = 300°С, при этом КПД нетто составляет 47,9%, а Nэ = 1740 МВт.
5. Показана необходимость повышения пропускной способности выхлопного отсека турбоустановки угольно-водородного энергетического комплекса, обусловленная изменением
удельного объема и массового расхода в конце процесса расширения, вызванного применением водородного перегрева пара. Для обеспечения пропуска увеличенного на 45% расхода
пара предложен способ повышения пропускной способности, основанный на применении в
ЦНД двухъярусной проточной части с независимым подводом пара в ярусы и установкой специальной диафрагмы для первой ступени.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных научных результатов:
1) Седлов А.С., Рогалев Н.Д., Комаров И.И., Гаранин И.В., Рогалев А.Н. Высокотемпературные технологии производства электроэнергии на паротурбинных установках угольных
электростанций / Новое в российской электроэнергетике. – 2016. – № 9. – С. 6-22.
2) Седлов А.С., Зарянкин А.Е., Рогалев А.Н., Григорьев Е.Ю., Гаранин И.В., Осипов С.К.
Перспективы применения двухъярусных проточных частей в цилиндрах низкого давления
мощных паровых турбин / Вестник ИГЭУ. – 2016. – № 2. – С. 14-20.
3) Седлов А.С., Зарянкин А.Е., Рогалев А.Н., Григорьев Е.Ю., Гаранин И.В., Осипов С.К.
Технические решения создания новых двухъярусных ступеней для цилиндров низкого давления с повышенной пропускной способностью / Вестник ИГЭУ. – 2016. – № 3. – С. 27-34
Статьи и научные труды в других изданиях:
4) Zaryankin A., Rogalev N., Rogalev A., Garanin I., Strielkowski W. Summary of approaches
for improving throughput of low-pressure cylinders in steam turbines using two-tier stages (Обобщение методов увеличения пропускной способности ЦНД с применением двухъярусных проточных частей) / Contemporary Engineering Sciences. – 2014. – № 7(34). – pp. 1827-1837.
5) Zaryankin A., Rogalev A., Garanin I., Osipov S. Methods of low-pressure cylinders throughput improvement for construction of ultra-high capacity generation units (Методы увеличения пропускной способности цилиндров низкого давления для создания сверхмощных энергоблоков) / WIT Transactions on Ecology and the Environment. – 2015. – № 195. – pp. 149-160.
6) Зарянкин А.Е., Гаранин И.В., Осипов С.К., Киндра В.О. Многоярусные проточные части паровых турбин. Перспективы и особенности их использования в современном турбостроении. Часть 1: Двухъярусный цилиндр низкого давления повышенной пропускной способности как способ увеличения единичной мощности энергоблоков / Электроэнергетика глазами
молодежи: Труды VI международной научно-технической конференции. – Иваново: ФГБОУ
ВПО «ИГЭУ», 2015. – C. 402-407.
7) Зарянкин А.Е., Гаранин И.В., Комаров И.И. Концепция двухъярусного ЦНД с повышенной пропускной способностью / Электротехника. Электротехнология. Энергетика: Труды VII
международной научной конференции молодых ученых. – Новосибирск: НГТУ, 2015. – C. 330333.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа