Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0123

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0123
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донские технологии"
Название доклада
Создание высокоэффективной паровой турбины для технологий переработки жидких и твердых органических отходов при производстве энергии для малой распределенной энергетики.
Докладчик
Ефимов Николай Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
12.1 Разработка и изготовление экспериментального образца высокоэффективной паровой турбины, рассчитанной на критические параметры пара (температура свыше 400 °С давление свыше 20 МПа), для современных энергетических комплексов электрической мощностью 250 кВт, с использованием в качестве теплоносителя - парогазовой смеси, полученной путем переработки отходов твердых и жидких органических топлив.
12.2. Определение оптимальных энергетических характеристик высокоэффективной паровой турбины , разработка схемы, конструкции и
системы охлаждения высоконагруженных элементов турбины (диска, лопаток соплового аппарата, рабочих решеток и других элементов), подшипниковых узлов. Получение значимых научных результатов и научно-технического задела, позволяющих создать высокоэффективную паровую турбину на критические параметры пара в диапазоне электрической мощности 30–1000 кВт.
Актуальность и новизна исследования
Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Поэтому вопросы эффективного производства и преобразования энергии всегда будут актуальными. Новизна проекта обусловлена созданием высокоэффективной паровой турбины малой мощностью на базе парогазовой смеси сверхкритических параметров, получаемой с помощью гидротермальной технологии переработки жидких и твердых органических отходов.
Описание исследования

Для обеспечения необходимой мощности турбоагрегата и минимальных габаритов энергетической установки выбрана и просчитана трехступенчатая конструкция проточной части турбины. Такой подход позволяет максимально эффективно использовать номинальные параметры свежего пара и обеспечить выработку 250 кВт электрической мощности.

На основании теплового и конструктивного расчета трехступенчатой активной паровой турбины с дисковым ротором определена оптимальная геометрия ступеней турбины. Определены расчетным путем оптимальные размеры рабочих лопаток, сопел и диаметры всех ступеней турбины. Выбраны формы профилей сопловой С-90-12 В и рабочей  Р-27-17Б решеток для всех ступеней.

При решении задачи прочностного анализа конструктивных элементов турбины и расчете механических напряжений методом конечных элементов использованы средства твердотельного компьютерного моделирования и программное обеспечение (ANSYS). Установлено, что обеспечение требуемой прочности вала возможно при использовании титанового сплава В1-0.

Для выбранной конструкции паровой турбины определены оптимальные значения относительного лопаточного КПД ηол от отношения скоростей u/cф  и других факторов для одной ступени турбины. Выбранная конструкция вала турбины просчитана на резонансные частоты и вибрационную устойчивость. По результатам расчета установлено, что первая критическая скорость лежит выше номинальной частоты вращения вала, то есть вал является жестким.

Для моделирования термодинамических процессов, происходящих в проточной части паровой турбины разработана математическая модель. Получены конечно–разностные аналоги оператора диффузионного переноса тепла на корпусе паровой турбины в полярной системе координат. Программирование модели выполнено в программной среде С++. Выполнена проверка основных балансовых соотношений математической модели, описывающие тепловые процессы на корпусе паровой турбины.

Учитывая прочностные характеристики и скорость вращения ротора турбины, были выбраны подшипники качения, включая систему смазки и охлаждения подшипниковых узлов. С учетом скорости вращения ротора, а также термодинамических параметров парогазовой смеси и процессов, происходящих в местах выхода вала из корпуса турбины и ее промежуточных диафрагм, определены конструкции лабиринтовых уплотнений паровой турбины.

Выполнены теоретические исследования влияния входных и выходных параметров парогазовой смеси, и скорости вращения вала на геометрию турбины и ее проточную часть при различных режимах работы.

Для описания динамических процессов, протекающих в турбине мощностью 250 кВт, разработана имитацтонная модель ее пуска, ступенчатого нагружения и переменных режимов работы. Иммитационная модель описывается дифференциальными уравнениями изменения частоты вращения ротора турбины, переходных процессов в ёмкости парового пространства турбины (изменения давления и расхода пара на выходе из ёмкости), а так же переходных режимов в главном регулирующем клапане. Путём аппроксимации получены зависимости крутящего момента турбины от расхода пара и частоты вращения ротора турбины, а так же уравнение для обратного расчёта расхода пара, необходимого для обеспечения заданной мощности турбины при различных частотах вращения её ротора.

По результатам теплового и конструкторского расчетов разработана эскизная документация на экспериментальный образец турбины и лабораторный технологический регламент его изготовления. С учетом конструктивных особенностей турбины разработан испытательный стенд и подготовлена программа и методики исследовательских испытаний экспериментального образца турбины.

Результаты исследования

1. Впервые разработана технологическая схема подключения паровой турбины к реактору гидротермальной деструкции.

2. Выбран конструктивный тип турбины малой мощности (трехступенчатая активная паровая турбина с дисковым ротором).

3. Разработана математическая модель термодинамических процессов в проточной части трехступенчатой активной паровой турбине.

4. Разработана эскизная конструкторская документации на изготовление конструктивных элементов экспериментального образца турбины.

5. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца турбины.

6. Разработан лабораторный технологический регламент на изготовление экспериментального образца турбины.

7. Разработана программа и методики исследовательских балансировочных испытаний экспериментального образца турбинного колеса.

8. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление испытательного стенда.

9. Разработана имитационная модель пуска и переменных режимов работы турбины.

Практическая значимость исследования
Основной областью применения полученных результатов является новая подотрасль энергетического сектора - малая распределенная энергетика (МРЭ). Полученные результаты будут способствовать развитию МРЭ, основным принципом которой является максимальное приближение генерации к месту потребления, использование дешевых местных источников первичного топлива, в том числе отходов самих производств, значительное снижение издержек производства. Проект создания отечественной паровой турбины малой мощности станет первым в РФ проектом, направленным на замещение импортной продукции данного класса. Реализация проекта позволит повысить энергетическую безопасность страны. Источником энергии для МРЭ на базе разрабатываемой высокоэффективной паровой турбины могут быть как местные виды топлива так и возобновляемые источники энергии, потенциал которых в России в настоящее время используется незначительно. На территории РФ и не только, существует множество полигонов жидких и твердых бытовых отходов, отходов промышленного производства и животноводческих хозяйств, на которых может быть организована переработка отходов в высокоэнергетические паровоздушные и парогазовые смеси.
На базе предлагаемых технологических решений можно реализовать ряд энергетических установок, электрической мощностью от 30 кВт до 1 МВт, в зависимости от расхода пара. Возможна реализация процесса тригенерации с включением в состав энергетического комплекса реверсивного теплового насоса. На практике, создаваемая паровая турбина исключает проблемы эксплуатации энергетической установки и гарантированно обеспечивает высокую маневренность. При снижении электрической нагрузки до 10%, уровень выработки тепловой энергии может оставаться на требуемом уровне - 100%. Предложенная технология является прорывной, в РФ установки данного класса отсутствуют.