Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0098

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0098
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Создание научно-технического задела для разработки угольных энергоблоков с ультрасверхкритическими параметрами пара
Докладчик
Рогалев Андрей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является создание научно-технического задела в области разработки энергоблоков с ультрасверхкритическими параметрами пара, обеспечивающих КПД выработки электроэнергии 50-51%. Создание угольного энергоблока с ультрасверхкритическими параметрами позволит существенно повысить конкурентоспособность угольной генерации за счет сокращения расхода топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии, а также позволит на 30% по сравнению с существующим уровнем сократить удельные выбросы токсичных (NOX и SOX) и парниковых (CO2) газов в атмосферу в случае замещения ныне действующих угольных энергоблоков с низкими показателями экономичности, КПД которых находится на уровне 36%.
Актуальность и новизна исследования
Рост мировой экономики, выражающийся в увеличении потребления электрической энергии, приводит к необходимости увеличения добычи природного газа и угля – углеводородов, являющихся топливом для тепловых электрических станций (ТЭС). Постепенное истощение природных запасов топливно-энергетических ресурсов обуславливает рост цен на первичные энергоносители. Угольные электростанции, занимающие в структуре установленной мощности ТЭС до 20-21%, работают преимущественно по паротурбинному циклу, эффективность которого, как известно, зависит в большей степени от уровня начальных параметров пара. Чем выше температура и давление свежего пара, тем более высоких значений КПД по выработке электрической энергии можно достигнуть. Сегодня ведущими странами в области энергомашиностроения уже освоены суперсверхкритические параметры (ССКП) пара (30 МПа / 620 °С) и ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию паротурбинных энергоблоков на ультрасверхкритические параметры (УСКП) пара. Согласно расчетам специалистов разных стран, при переходе на параметры пара 35 МПа / 720 °С может быть достигнут КПД брутто 48-51%, что позволит сократить топливные издержки и выбросы вредных веществ на единицу произведенной энергии.
В ходе выполнения исследования был разработан ряд оригинальных решений, обеспечивающих возможность создания энергоблока на параметры пара 35 МПа / 720 °С: горизонтальная компоновка котельного агрегата с новой схемой включения горелочных устройств, стопорно-регулирующий клапан паровой турбины, обеспечивающий низкое гидравлическое сопротивление и динамические нагрузки, новые оребренные бандажи турбинных решеток первых ступеней, снижающие концевые потери.
Описание исследования

В ходе реализации первого этапа проекта была проведена разработка и оптимизация структуры и параметров тепловой схемы энергоблока методом вариантных расчетов с помощью программного комплекса Thermoflex. Результатом выполненного исследования стал профиль тепловой схемы на УСКП пара, для которой были определены оптимальные значения термодинамических параметров рабочей среды: температуры питательной воды, параметров промежуточного перегрева пара, параметры отборного пара и др. 

Второй этап проекта был посвящен разработке конструктивного профиля высокотемпературной паровой турбины, в результате чего была разработана эскизная конструкторская документация основного ее элемента – проточной части, характеристики которой определяют ее высокий уровень эффективности.

В ходе третьего этапа проводилась разработка конструктивного профиля и технических решений, обеспечивающих создание высокоэффективного котельного агрегата, обеспечивающего выработку пара ультрасверхритических параметров (давление острого пара 35 МПа, температура – 720 °С). В результате проведенных расчетных исследований, выполненных с помощью математических моделей различных возможных вариантов компоновочных решений, созданных в среде Mathcad, были выбраны два конструктивных профиля котельного агрегата: горизонтальный и М-образный. Для обоих вариантов была проведена конструктивная проработка, разработаны технологические схемы пароводяного и пыле-газо-воздушного трактов, с помощью CAD программы NX Unigraphics были построены 3D модели конструктивного профиля различных вариантов компоновок котлов, что позволило оценить длины главных паропроводов. При этом горизонтальный конструктивный профиль котельного агрегата был признан наилучшим по критерию максимального сокращения длины паропровода свежего пара и простоте конструкции. Проведена проработка природоохранных мероприятий, обеспечивающих выбросы вредных веществ в атмосферу в пределах нормативных значений. Работоспособность и эффективность предложенной компоновки котельного агрегата была проверена путем проведения численного моделирования (CFD) процессов горения топлива в топке. В рамках третьего этапа также была разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для исследования аэродинамики топочных устройств котельных агрегатов с УСКП пара, а также программа и методика проведения экспериментальных исследований.

Четвертый этап выполнения проекта связан с проведением экспериментальных исследований элементов нового оборудования энергоблока. Для изучения структуры течения рабочей среды (воздуха) и оптимизации конфигурации экспериментальных моделей выполнены серии численных экспериментов. Объектами экспериментальных и численных экспериментов явились модели элементов энергетического оборудования: модели турбинной решетки с ребрами и без, модель блока стопорно-регулирующих клапанов, модель топки. Также экспериментально исследовано влияние качества воды на интенсивность процесса коррозии и определен наилучший состав реагентов для снижения ее скорости. Важной задачей четвертого этапа явилось обеспечение возможности проведения экспериментальных исследований, заключавшихся в изготовлении экспериментальных стендов и моделей. Всего проведено четыре серии экспериментальных исследований: экспериментальное исследование аэродинамики топочных процессов, экспериментальные исследования моделей турбинных решеток, экспериментальные исследования модели стопорно-регулирующих клапанов, исследование влияния качества воды на скорость коррозии в предложенных материалах.

В результате научных работ по исследованию аэродинамики топочных процессов была проведена оптимизация формы модели топки горизонтального котла на УСКП пара, состоящая в замене поперечных холодных воронок на продольные, разработке новой схемы включения горелочных устройств, изменении конструкции поворота газохода. Новая конфигурация модели горизонтальной топки котла успешно прошла серию физических испытаний. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод об обеспечении новой конструкцией топки условий для эффективного сжигания топлива: исключение зон повышенного динамического давления факела на топочные экраны; рассредоточение высокотемпературного ядра факела по ширине, глубине и высоте топки; исключение выпадения значительного количества горящих частиц в холодную воронку.

Результаты исследования

По результатам экспериментальных исследований моделей турбинной решетки выбран наилучший с позиции минимума коэффициента концевых потерь вариант оребрения. Показано, что наибольший прирост в эффективности относительно турбинной решетки обеспечивает турбинная решетка с двойным оребрением одним ребром прямоугольной формы толщиной 0,5 мм и высотой 2 мм. Сравнительный прирост эффективности составил 2,266%.

Проведена экспериментальная проверка технических характеристик нового блока стопорно-регулирующих клапанов. В ходе физического эксперимента были получены данные для построения силовой, расходной и вибрационной характеристик. Анализ полученных результатов показал высокую эффективность и эксплуатационные свойства нового клапана. Так, на режимах испытаний, соответствующих режимам эксплуатации блоков СРК на ТЭС, аэродинамические потери при степенях открытия 0,25-1 не превысили 2,48%. Статические усилия на штоке при любых степенях открытия в интервале значений относительного давления 0,60-0,99 не превысили 18 тонн. Максимальная амплитуда колебания усилий, зарегистрированных датчиками пульсаций давления, установленными на штоке, при каждой исследованной степени открытия клапана не превысила 7,5% от статических усилий на штоке.

Выполненные исследования влияния качества воды на скорость коррозии в предложенных материалах показали, что при температурах пара, достигающих значений 800 °С, наименьшую скорость процесса коррозии среды выбранных на III этапе проекта водно-химических режимов обеспечивает кислородно-аммиачный водный режим (КАВР).

Также было установлено, что изменение массы образцов, измеренное в ходе серии экспериментов с ведением нейтрально-кислородного водного режима (НКВР), оказалось на 21,28% меньше для ДСЖ 3 и на 48,78% меньше для Alloy 740H, чем при аналогичных испытаниях с ведением кислородно-аммиачного водного режима. Было определено, что скорость коррозии может быть дополнительно снижена путем изменения концентрации кислорода при подготовке воды. Для температуры пара 800 °С меньшей скорости изменения массы образца соответствовала концентрация кислорода 100 мкг/кг.

Практическая значимость исследования
Предполагается, что энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами найдут широкое распространение при замене отработавшего свой ресурс оборудования и позволят увеличить долю выработки электроэнергии на базе твердого топлива, как это предполагает Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Наряду с этим внедрение таких высокоэкономичных установок позволит сократить удельные выбросы вредных веществ и парниковых газов в атмосферу на 25-30%. Строительство энергоблоков на УСКП пара будет способствовать недопущению чрезмерного роста себестоимости отпуска электроэнергии с повышением цены на угольное топливо.
Результаты выполненных исследований лягут в основу технического задания на опытно-конструкторские работы (ОКР) по созданию паровой турбины и котельной установки на УСКП пара. Новые разработанные технические решения, обеспечивающие создание угольных энергоблоков на параметры пара 35 МПа / 720 °С, будут являться базой для выполнения дальнейших прикладных исследований по данной тематике и ОКР по созданию полноразмерных прототипов нового энергетического оборудования.